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伪连续导电模式Boost功率因数校正器研究

于海坤  
【摘要】:功率因数校正(Power Factor Correction, PFC)技术可有效地减少网侧输入电流谐波含量并提高电源功率因数,是电网供电用电设备中不可或缺的重要组成部分。在各种PFC变换器电路拓扑中,Boost变换器因其拓扑结构简单、变换效率高、控制策略易实现等优点,被广泛应用于PFC电路中。 工作于不连续导电模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)和连续导电模式(Continuous Conduction Mode, CCM)的Boost PFC变换器应用非常广泛,但二者均存在负载功率范围受限的缺点。伪连续导电模式(Pseudo Continuous Conduction Mode, PCCM)是一种介于DCM与CCM之间的新型工作模式。相比于DCM Boost变换器,PCCM Boost变换器的输出电压、电感电流纹波小,且负载输出能力强。与CCM Boost变换器相比,PCCM Boost变换器控制到输出的传递函数不存在右半平面(Right Half Plane, RHP)零点,进而具有理想的动态性能。因此,PCCM是一种具备优良工作特性的新型工作模式。 本文提出工作于PCCM模式的Boost PFC变换器,在深入分析PCCM Boost PFC变换器的前提下,根据其特有的两个控制自由度,建立了电压环与电流环并行的控制环路。针对宽负载范围内具有高功率因数的控制目标,充分利用PCCM模式平均电感电流大于平均输入电流的特点,提出以负载电流为基准量实时调整参考电感电流谷值的控制策略。在此基础上,详细设计了电感电流谷值跟踪的数字控制算法和电压PI调节器参数。 对PCCM Boost PFC变换器与传统DCM和CCM模式Boost PFC变换器进行了仿真验证。结果表明,负载功率较大时,DCM Boost PFC变换器的电感电流峰值远大于PCCM和CCM模式,大幅增加了开关管和EMI滤波器成本;PCCM和CCM Boost PFC变换器的电感电流峰值和纹波较小,具有应用于大功率场合的优良工作性能。在负载功率较小时,PCCM Boost PFC变换器实时降低参考电感电流谷值,使变换器稳定地工作在PCCM模式,保证变换器输入电流具有较高的正弦度;而此时CCM Boost PFC变换器的输入电流在输入电压过零点附近发生畸变,严重降低了变换器的功率因数。因此,在综合考虑功率因数、开关管电流应力、EMI等关键性能指标的前提下,宽负载范围下的PCCM Boost PFC变换器表现出了更加优越的工作特性。 最后,本文设计了一台输出功率范围为70W-400W的实验样机,进一步对PCCM Boost PFC变换器和CCM Boost PFC变换器的工作性能进行了对比和验证。


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