峰值电流控制的单相BOOST-PFC变换器工作原理分析

滨江学院学年论文题目峰值电流控制的单相BOOSTPFC变换器工作原理分析院系滨江学院专业电气工程与自动化学生姓名徐小松学号20072340061指导教师毛鹏职称讲师二Ｏ一一年二月十八日峰值电流控制的单相BOOSTPFC变换器工作原理分析徐小松南京信息工程大学滨江学院电气工程与自动化，南京210044摘要：传统的电压型控制是一种单环控制系统，是一种有条件的稳定系统。因而出现了双环控制系统即电流型控制系统。从原理、应用方面系统地论述了单相PFC变换器中电流型控制的发展，阐述了各种控制方法的优缺点。峰值和平均电流型控制是单相PFC中应用最频繁的两种电流控制方法。因而对这两种方法的讨论得出一些结论。关键词：BOOST变换器，功率因数PFC，峰值电流控制，平均电流控制1引言峰值电流模式控制简称电流模式控制。它的概念在60年代后期来源于具有原边电流保护功能的单端自激式反激开关电源。在70年代后期才从学术上作深入地建模研究。直至80年代初期，第一批电流模式控制PWM集成电路（UC3842、UC3846）的出现使得电流模式控制迅速推广应用，主要用于单端及推挽电路。近年来，由于大占空比时所必需的同步不失真斜坡补偿技术实现上的难度及抗噪声性能差，电流模式控制面临着改善性能后的电压模式控制的挑战。误差电压信号送至PWM比较器后，并不是象电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜坡比较，而是与一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波形或梯形尖角状合成波形信号UΣ比较，然后得到PWM脉冲关断时刻。因此(峰值)电流模式控制不是用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度，而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小，然后间接地控制PWM脉冲宽度。2Boost变换器及其工作原理工程中常用的升压（Boost）变换器的原理图如图1所示[5][6]，其中Vi为输入直流电源，Q为功率开关管，在外部脉冲信号的激励下工作于开关状态，Q导通，输入电流流经电感L和开关管Q，电感L储能；开关管Q截止时，二极管D导通，直流电源Vi和电感L同时向负载R供电，输入电流经电感L、二极管D流向负载R，同时给电容C充电，电感L释放能量，在理想情况下，该电路输出电压：ioutvdv11ViLQDCRVout图1BOOST变换器式中D为Boost变换器的占空比，因为占空比D1，所以V（out）Vi，故称升压式换器。Boost变换器的工作模式分为电感电流连续工作模式（CCM）和电感电流断续工作模式（DCM），所不同的是电流断续模式比电流连续模式多出一个电感电流为零的工作状态。Boost变换器的工作状态如图2所示。ViLQCRVout(a)开关状态1（Q导通）ViLVoutRCDILIL(b)开关状态2（Q关断）ViLQDCRVout（c）开关状态3（电感电流为零）图2BOOST变换器的工作状态3PFC变换器的工作原理及实现方法3.1PFC变换器工作原理分析首先给出相关术语的基本定义：功率因数（PF）是指交流输入有功功率（P）与输入视在功率（S）的比值。即coscoscos1111rmsrmsIIIVIVSPPS（1）式中：1I表示输入基波电流有效值rmsI表示输入电流有效值rmsII1表示输入电流失真系数cos表示基波电压与基波电流之间的相移因数所以功率因数可以定义为输入电流失真系数（）与相移因数（cos）的乘积。可见功率因数（PF）由流失真系数（）和基波电压与基波电流之间的相移因数（cos）。cos低则表示用电电器设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大。同时，电流失真系数值低，则表示输入电流谐波分量大，将造成输入电流波形失真，对电网造成污染[2]。功率因数与总谐波失真系数（THD）的关系：由1211111coscoscosnrmsrmsIIIIIVIVSPPF（2）及THD=122IIn（3）有212111TDHIIn（4）即cos112TDHPF（5）因此，提高功率因数可以大大减少输入线路的谐波失真，提高电源的利用率。3.2功率因数校正的实现方法功率因素的定义，cosPF可知，要提高功率因素有两个途径：1.使输入电压、输入电流同相位。此时1cos，PF。2.使输入电流正弦化。即1IIrms（谐波为零），有11rmsII即1cosPF从而实现功率因数校正。利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪输入电压波形，使输入电流波形成正弦波，并且和输入电压同相位4.峰值电流控制的PFCBOOST变换器的工作原理基于峰值电流控制的PFCBOOST变换器的电路框图如图3所示。ViQvRLvin—+CDVOUTQQSETCLRSRVref+乘法器iref-icpPcPv图3基于峰值电流控制的BOOSTPFC变换器原理图为实现PFC功能与输出电压的稳定调节，图中iu为正弦交流输入电压，其幅值为mu,周期为T，角频率为，i为流过电感L的电流,u为电容C两端电压；refi为i的参考电流；inu为桥式整流输出电压；refu为u的参考电压；vp和ep分别为输入电压前馈增益和输出电压反馈误差增益；开关管s的占空比为d时钟脉冲周期为sT。控制电路由2个闭环组成，在电流内环，电感电流i和参考电流refi比较后作为开关管S的控制信号。在稳态时，输出电压是脉动很小的直流电压，而参考电流由输入电压采样信号和输出电压误差信号的乘积提供，因此参考信号是正向半波正弦信号。当电流内环控制电感电流跟踪参考电流变化时，就可以使系统达到近似单位功率因数。电压外环的主要作用是减少输出电压纹波，保持输出电压稳定。根据开关管S与二极管D的工作状态，得到变换器的3中工作模式为；工作模式1，当S导通与D关断，此时有tLudtdimsin,URCdtdu1工作模式2，当S关断与D导通，此时有tLuULdtdimsin1,RCucidtdu工作模式3，当S关断与D关断，此时电感电流为零，所以有0i，RCudtdu式中，=2f，t是电源角频率，为了简化表达式，令Tuix为系统的状态变量，那么可以重写上面的等式为tUBxAxin11.nt≤tdnttUBxAxin22.dnt≤t1nt上式中RCA10001,RCCLA11102011LB,012LB系统输入电压tUin=tUmsin，因此峰值电流控制下的PFC变换器是一个周期性分段平滑非线性系统。5峰值电流检测与平均电流检测在电流型变换器中由平均电感电流产生一个误差电压，这个平均电感电流可用一个电流源代替，并可以降低系统的一个阶次。减小峰值电感电流与平均电流的误差电流模式控制是一种固定时钟开启，峰值电流关断的控制方法。因为峰值电流在实际电路中容易采样，而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。但是，电感电流与输出平均电流之间存在一定的误差，峰值电感电流的大小一一对应，因为在占空比不同的情况下，相同的峰值电感电流可以对应不同的平均电感电流。而平均电感电流是唯一决定输出电压大小的因素。与消除谐波振荡的方法类似，利用谐波补偿可以去除不同占空比对平均电感电流大小的影响，使得所控制的峰值电感电流最后收敛与平均电感电流。在数学上可以证明，将电感电流下谐波斜率的至少一半以上斜率加在实际检测电流的上斜波上，可以去除不同占空比对平均电感电流大小的扰动作用，使得所控制的峰值电感电流最后收敛与平均电感电流。因而合成波形信号要有斜波补偿信号与实际电感电流信号两部分合成构成。当外加补偿斜波信号的斜率增加到一定程度，峰值电流模式控制就会转化为电压模式控制。6结论本文详细分析了BOOST变换器的基本原理和功率因数PFC的概念，知道峰值电流模式控制的系统稳定性好，响应速度快，实现也很容易，并且能够限制电路中的峰值电流，从而保护器件。知道了电感电流连续工作模式控制的峰值电流控制的BOOSTPFC电路，它主要应用于电源功率较高的场合。参考文献（1）雷涛，林辉，张晓斌，峰值电流控制下PFCBOOST变换器的工作原理，西北工业大学自动化学院。（2）《基于PSpice软件的单相BOOST变换器的访真分析》，来源：电源世界。（3）RajeshGhosh，GNarayanan．ASimpleAnalogControllerforSingle—phaseHalf-bridgeRectifier[J]．IEEETrans．onPowerElectronics，2007，22(1)：186—198（4）丁道宏.电力电子技术[M].北京：航空工业出版社，1992.（5）AroudiAE1,DebbatM,GiralR.BifurcationsinDC-DCSwitchingConverters:ReviewofMethodsandApplicationsInternationalJournalofBifurcationandChaos,2005,15(5),1549-1578AnalysisofPeakcurrentofsinglephaseBOOSTPFCconverteroperatingprincipleXuXiaoSongNanjinginformationengineeringuniversityelectricalengineeringandautomation,nanjing210044AbstractConventionalvoltagemodecontrolisasingle-loopcontrolsystemisasystemofconditionalstability.Hasledtoadouble-loopcontrolsystemthatthecurrentcontrolsystem.Inprinciple,theapplicationofsystematicanalysisofsingle-phasePFCconverterscurrent-modecontrolofdevelopment,describedtheadvantagesanddisadvantagesofvariouscontrolmethods.Peakandaveragecurrent-modesingle-phasePFCcontrolisthemostfrequentinthetwocurrentcontrolmethods.Thusthediscussionofthesetwomethodstodrawsomeconclusions.Keyword:BOOSTconverter,PFCpowerfactor,Peakcurrentcontrol,Averagecurrentcontrol