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《南京航空航天大学》 2010年
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高功率因数DCM Boost PFC变换器的研究

姚凯  
【摘要】:DCM Boost PFC变换器具有开关管零电流开通、二极管无反向恢复、开关频率恒定、控制简单、成本低等优点,适用于中小功率场合。但在输入周期内占空比恒定时,输入电流谐波含量较大、输入功率因数(Power Factor,PF)相对较低,尤其在输入电压较高时。本文研究提高单相和三相DCM Boost PFC变换器的输入PF值及减小输出储能电容的方法。 本文详细推导了单相DCM Boost PFC变换器输入电流和PF值的表达式,分析PF值与输出电压和输入电压峰值之比的关系。根据输入电流的表达式,引出一种变占空比控制方法,可以在全输入电压范围内将PF值提高到1。通过数学推导,进一步给出一种拟合占空比的方法,以简化电路实现。与定占空比控制相比,本文所提出的方法不仅可以提高输入功率因数,而且减小了输入功率脉动,因而可以减小输出电压纹波。同时,临界电感值也可以增大,从而可以减小电感电流脉动,提高变换效率。论文完成了一台90–264VAC输入,400V/120W输出的原理样机,并进行实验验证,实验结果验证了所提出控制方法是有效的。 采用定占空比控制时,单相DCM Boost PFC变换器的输入电流中主要含有三次谐波,其初始相位与基波相差180°,不仅导致功率因数较低,且使输入功率脉动较大。但是,如果三次谐波的初始相位与基波相同,则可以减小输入功率脉动,从而减小输出电压脉动。在输出电压脉动相同的情况下,可以减小输出储能电容。本文提出在输入电流中注入适量与基波初始相位相同的三次谐波的方法,在满足IEC 61000-3-2,Class D谐波标准要求的情况下,可以将储能电容量降低为原来的37%。在满足Energy Star对功率因数不低于0.9标准的情况下,输出储能电容最多可以减小为原来的43%。为了简化实现电路,进一步提出拟合占空比的方法。按照Energy Star的要求,设计并制作了一台90–264VAC输入,400V/120W输出DCM Boost PFC变换器原理样机,将PF值控制为0.9,进行了实验验证,实验结果与理论分析一致。 针对三相单管Boost PFC变换器,本文详细推导三相输入电流和PF值的表达式。在此基础上,讨论使得各相的PF都为1的理想占空比。由于只有一个开关管,因而采用加权的方法推导出能够将三相PF值都提高至最优的占空比表达式。经过一定的数学推导,进一步提出拟合占空比方法,简化了实现电路。与定占空比控制相比,所提出的变占空比控制方法不仅可以提高PF值,减小输出电压纹波,并且可以增大临界电感值,从而降低电感电流脉动,提高变换效率。最后研制了一台220±20%/380±20%VAC输入,750V/3kW输出的原理样机,并进行了实验验证,实验结果表明所提控制方法是有效的。
【学位授予单位】:南京航空航天大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TM461

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