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《哈尔滨工业大学》 2009年
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无桥PFC拓扑结构及控制策略研究

刘桂花  
【摘要】:随着能源危机和全球环境的持续恶化,节能减排和保护环境成为维持经济和社会可持续发展的一件大事。许多国家和国际组织纷纷推出各项节能环保标准和规范对现有电源系统提出种种要求,其中欧洲IEC555管理条例规定,功率超过75W的产品需要增加功率因数校正(PFC)功能。在用电设备中采用PFC技术不仅可以提高功率因数、降低对电网的谐波污染、提高电源利用率,同时可以使产品满足各种标准要求。 在目前采用PFC技术的各种电源和用电设备中,多数采用整流桥首先将交流电转化成直流电,再经过PFC环节实现功率因数校正功能。随着功率等级的提高,整流桥的损耗在整个功率级损耗中占很大比重,因此采用不带整流桥的无桥PFC拓扑结构对提高系统的整体效率具有重要作用。无桥PFC作为一种高效率的拓扑结构,引起人们的广泛关注,本文将从拓扑结构和控制策略两个主要方面对其进行研究,并将新型无桥PFC拓扑结构和控制方法应用到变频空调系统中加以验证和分析。 无桥PFC最先出现在Boost电路中,本文首先分析了目前出现的无桥Boost PFC拓扑结构,在此基础上设计了一种电流采样简单、电磁干扰噪声小、通态损耗低的改进型无桥Boost PFC,并采用平均电流和单周期两种控制策略,对改进型电路结构进行了对比分析和实验验证。将无桥设计思路进一步推广到具有升降压功能的PFC变换器中,提出一种新颖的级联式无桥Buck-Boost PFC拓扑结构,与传统单开关Buck-Boost PFC相比,这种新型拓扑结构能解决开关应力过高的问题,与传统级联式Buck-Boost PFC相比,无桥结构能降低通态损耗提高效率。 与模拟控制相比,数字控制具有电路结构简单、元器件少、对外部干扰不敏感、适应性强、容易实现系统升级等优点。本文对无桥Boost PFC功率级传递函数和频域设计方法进行研究,建立无桥Boost PFC的通用电路模型,为电路理论分析和参数设计提供依据。同时对控制过程中的占空比约束关系进行推导和分析,结合运动控制芯片IRMCF343,提出一种运算量小、适用于低成本数字控制芯片的占空比预测算法,该算法主要用来改善电流环节的控制性能,与目前常用的平均电流控制相比它运算量小,同时具有更快的输入电压和电流跟踪能力。 在PFC控制策略中,通常需要电压环来稳定输出电压,该环节中的低通滤波器虽然能衰减输出电压纹波,却降低了系统对负载变化的动态响应能力。在负载经常快速变化的应用场合(如变频空调压缩机负载),电压环带宽不够会导致输出直流母线电压长时间大幅度波动,这不仅使系统控制性能下降,同时对负载也是一种危害。本文结合IRMCF343,在占空比预测算法的基础上对电压环进行改善,提出一种快速动态响应数字PFC算法,该算法无需增加外围硬件电路,只需在原来数字算法基础上增加一个补偿环节就能实现低输入电流畸变和快速动态响应的统一。 无桥PFC作为一种高效率的拓扑结构,虽然引起包括各空调厂家的广泛关注,但到目前为止市场上还没有任何一款关于无桥PFC的空调产品,也没有针对无桥PFC和传统PFC在空调中的系统对比分析。本文设计了基于传统PFC和无桥PFC的空调外机实验平台,同时利用所提出的新型算法,从功率因数、效率、谐波电流、电磁干扰和成本5个方面对两种PFC拓扑结构在变频空调中的应用情况进行系统对比分析。
【学位授予单位】:哈尔滨工业大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2009
【分类号】:TM46

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