數字升壓型功率因數校正轉換器的分析與設計
發布時間：2015-11-17 14:21
發布者：designapp
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摘要:本文以升壓型轉換器為AC-DC功率因數校正整流器的基本結構，控制核心采用DsPIC30F4011數字信號處理器，利用主動式功率因數校正技術的平均電流控制法，提高功率因數，減少輸入電流諧波。為避免高功率因數轉換器電壓回路系統的帶寬限制，額外加入負載電流以改善負載變動時輸出電壓的暫態響應。詳細分析轉換器、系統建模及控制器設計，開發一個450W的數字升壓型功率因數校正轉換器，通過試驗驗證轉換器的高功率因數性能及輸入電壓幅值變動和負載變動時，輸出電壓的穩壓性能。 傳統AC/DC整流器因橋式整流器和濾波電容在整流過程中產生脈沖電流，造成低功率因數及電流諧波，需要對功率因數進行校正。理想的AC/DC轉換器應具有兩種特性：從電網端看須具備高功率因數的特性，從負載端看要有穩壓性能。主動功率因數校正電路在運行校正電路連續導通模式(CCM)下，電路不具備功率因數校正的能力，需控制輸入電流，使輸入電流隨輸入電壓波形及相位變化來提高功率因數[1-3]。利用平均電流控制的功率因數校正轉換器對負載變動及輸出電壓的暫態響應較為遲緩，且需要復雜的控制電路及額外的乘/除器，數字電路等。而Figures[4]提出的負載電流法能有效改善輸出電壓暫態響應及穩壓特性[5-6]。 本文以數字信號處理器DsPIC30F4011為基礎，采用平均電流控制法與負載電流注入控制法實現數字控制高功率因數升壓型AC/DC轉換器系統。整個系統包括內回路電流控制、外回路電壓控制及負載電流注入控制，通過該系統能在負載和輸入電壓幅值變動時，提高轉換器的功率因數及輸出電壓的穩壓性能。 1 升壓型轉換器系統 以數字信號處理器為基礎的數字控制高功率因數轉換器的系統結構如圖1所示。其中內回路系統電流控制的作用是使輸入電流隨輸入電壓變化，以達到高功率因數性能;外回路電壓控制作用是當輸入電壓幅值及負載變動時，整流器都能具有良好的輸出穩壓性能;負載電流注入控制的作用是將負載電流狀態納入反饋控制電路，以改善輸出電壓的暫態響應特性[7-8]。 以平均電流控制法為基礎的高功率因數升壓型轉換器的系統方框圖如圖2所示，為設計內回路電流控制器及外回路電路電壓控制器，以提高系統功率因數及輸出穩壓性能，首先必須對升壓型轉換器進行分析，并建立受控系統模型，得出相應的數學模型，以此作為控制器設計基礎。 2 高功率因數升壓型轉換器分析與建模 2.1 升壓型轉換器分析 高功率因數升壓型轉換器如圖3所示，經過橋式整流的電壓源 的全波波型，線電壓半周期為 。在穩態分析前，假設：(1)切換周期Ts，開關導通比d;(2)電路運行在連續導通模式;(3)輸出電容足夠大，使輸出電壓為固定值V0。 在穩態下，利用伏秒平衡定理有： (1) 整理可得： (2) 因為od(t)1，輸出電壓V0恒大于輸入電壓Vg。穩態時，輸入電壓與導通比變化關系如圖4。 2.2 內回路電流控制系統建模 內回路電流控制的目的是讓平均輸入電流隨輸入電壓波形變化，以達到高功率因數。通過對比感測電壓Vidg與參考電壓Viigref，得到誤差信號ei，如圖2所示。在經過電流控制器CI(S)和脈沖寬度調制器產生導通比d的驅動信號，控制開關的開和關，使平均輸入電流隨輸入電壓變化[9-10]。 為設計電流控制器，需建立控制系統的數學模型。本文利用狀態空間平均法對升壓型轉換器作交流小信號分析，推導出控制系統的輸出函數，作為CI(S)的設計基礎。小信號分析可分為以下步驟： 1. 電路狀態方程：升壓型轉換器如圖3，若開關S打開，則二極管關閉，方程為： (3) (4) 若開關S關閉，則二極管打開，方程為： (5) (6) 2. 線性化：對電感電流iL，輸入電壓Vg，電容電壓Vc0，導通比d，忽略直流項及交流乘積項，可得線性方程式： (7) (8) 3. 傳遞函數：求出輸出信號 對控制信號導通比 的傳遞函數為： (9) 2.3 外回路電壓控制系統建模 假設內回路電流控制器CI(S)設計合理，使平均輸入電流隨輸入電壓變化，利用平均功率法，對外回路電壓控制系統的控制系統建模，求出傳遞函數，作為電壓控制器的設計基礎，以達到輸出電壓的穩壓性能。如圖2所示的功率因數校正轉換器系統方框圖，可得： (10) 當 隨Vg(t)變化，則 ， 可表示為： (11) 假設轉換器轉換效率為100%，即Pin(t)=P0(t)，則平均輸入功率為： (12) 其中，Vg(t)的均方根值為Vg(nms) 與平均值為Vg(dc) 的比值為 。因此，平均輸出功率為： (13) 因此可得： (14) 根據理想高功率因數轉換器的無損電阻器模式，如圖5所示。對于線電壓半周期T2L的移動平均值而言，控制信號發VCV與輸入電壓平均值Vg(dc) 的變化相當緩慢，可視為常數。 由式(12)和式(14)求得： (15) 另一方面，因為 ，所以： (16) 直流分析：由式(15)和(16)可得直流工作點 (17) 交流分析：忽略直流項與交流高次項，可得： (18) (19) 求得控制信號 至輸出電壓 之間的傳遞函數為： (20) 3 控制器設計與負載電流注入法 設計一個高功率因數升壓型AC/DC轉換器，其規格為輸入電壓90~130Vrms、輸出電壓312V、最大輸出功率450W。元件參數為電感L=1Mh，輸出電容Co=848uF，負載RL=216，功率開關切換頻率fs=100kHz。 高功率因數升壓型轉換器的內回路電流控制方框圖如圖6所示，脈沖寬度調制等效增益為1/10;將電氣型號與元件參數值代入式(9)可得： (21) 設計的電流控制器CI(S)為PI控制器GI(s)＝0.4＋900/s (22) 得到內回路電流控制系統頻率與響應，系統的頻寬為1.33Hz，滿足內回路系統頻寬遠大于120kHz的要求。 高功率因數轉換器的外回路電壓控制系統方框圖如圖7所示，為了使輸入電壓V0不受輸入電壓Vm幅值變動及負RL載變動的影響，設計穩壓控制器Cv(s)，以達到穩壓性能。實際中降壓比Kv=1/39、Kf=1/104，調整比Km=1000，代入公式(20) 得: (23) 設計穩壓控制器Cv(s)為積分器與相位超前控制器的組合 (24) 可得外回路電壓控制系統頻率響應的波特圖如8所示，系統的頻寬約為74.9rad/s=11.9Hz，滿足步階響應的穩態誤差為零及外回路系統頻寬在10Hz~20Hz的要求。 為實現數字控制，將控制器傳遞函數轉換成離散時間狀態的空間表示式，在取樣頻率為6kHz下，得到電流控制器為： (25) (26) 同樣地，在取樣頻率為2kHz下，可得電壓控制器離散狀態空間表示為： (27) (28) 在外回路電壓控制器設計上，為減少控制器信號與乘法器信號受120Hz輸出電壓的影響，降低了功率因數的性能，所以外回路系統的頻寬通常設計在10Hz~20Hz之間。因此，在負載變動時，輸出電壓很難恢復至穩壓狀態。本文利用負載電流注入法將負載電流狀態作為控制反饋，以改善輸出電壓的暫態響應。負載電流注入法是將負載電流接入控制回路，當負載發生變動時，立刻產生穩態輸入電流的參考信號，改善外回路電壓控制器緩慢的動態響應。 4 數字控制系統試驗驗證 以16位數字信號處理器DsPIC30F4011為基礎，完成數字控制高功率因數升壓型轉換器的設計。在試驗驗證過程中，輸入電壓90~130 Vrms、輸出電壓312 V、最大輸出功率450 W的高功率因數升壓型AC/DC轉換器。試驗測量結果如下： 圖9為輸入電壓110Vrms、輸出功率450W時，輸入電壓Vin和電流iin的實際波型，利用萬用表測量的功率因數值為0.968，說明了該設計系統的高功率因數特性。 隨后，對系統輸出電壓的穩壓性能進行測試，針對輸入電壓從110 V變動到130 V，再從110 V變到90 V，輸出的電壓響應如圖10(a)。當負載從250 W變動到450 W時，輸出的電壓響應如圖10(b)。當額外加入負載電流且負載變動同時發生時，輸出的電壓響應如圖10(c)。比較圖10(b)和10(c)，圖10(c)的輸出電壓變動較小時，負載電流注入法具有較高的穩壓效果。當Vin=110 Vrms時，針對不同輸出功率，測得高功率因數升壓型轉換器的功率因數曲線如圖11(a)所示，在Po=450W時，功率因數最高可達0.966。針對不同輸出功率，測量高功率因數升壓型轉換器的效率曲線如圖11(b)所示，在Po=450W時，效率最高可達92.2%。 5 結論 本文以升壓型轉換器為AC/DC功率因數校正整流器的基本結構，以數字信號處理器DsPIC30F4011為控制核心，應用主動式功率因數校正技術的平均電流控制法，使平均輸入電流隨輸入電壓波形變化，以提高功率因數性能。利用負載電流注入控制法，改善輸出電壓動態響應較慢的缺點。最后設計輸出功率為450W的高功率因數升壓型轉換器并進行試驗，試驗結果表明，該功率因數升壓型轉換器符合電流諧波的高功率因數特性，并且在輸入電壓幅值變動及負載變動時，輸出具有良好的穩壓特性。 參考文獻： [1]周志敏, 周紀海. 開關電源功率因數校正電路設計與應用[M]. 北京: 人民郵電出版社出版, 2004 [2]宗凡. 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