《电子技术应用》
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一种新型高功率因数电源的设计
2014年电子技术应用第11期
陈 巍1,王国富1,2,张法全1,叶金才1
1.桂林电子科技大学 信息与通信学院,广西 桂林541004; 2.广西无线宽带通信与信号处理重点实验室,广西 桂林541004
摘要: 针对现有模拟控制技术实现功率因数校正(PFC)时,存在功率因数、效率过低,总谐波畸变率(THD)过大,系统不稳定等问题,设计了一种新型高功率因数电源和改进型算法。该电源在现有模拟电路的基础上进行创新,采用DSP数字双闭环控制,通过对改进型算法的分析,得出电压环、电流环控制系统的传递函数,设计并实现了交错并联Boost PFC新型电源。经过大量实验和测试可知,该电源的功率因数达到0.99以上,效率在0.95以上,THD小于3%,提升了系统的稳定性。实验和测试结果完全验证了新型电源的可行性和正确性,拥有广阔的应用前景。
中图分类号: TN86
文献标识码: A
文章编号: 0258-7998(2014)11-0060-04
Design of a new high power factor power
Chen Wei1,Wang Guofu1,2,Zhang Faquan1,Ye Jincai1
1.School of Information and Communication, Guilin University of Electronic Technology, Guilin 541004,China;2.Key Laboratory Cognitive Radio and Information Processing of the Ministry of Education, Guilin 541004,China
Abstract: Nowadays, the process of power factor correction(PFC) in simulation control technology has some problems, such as low power factor, low efficiency, high total harmonic distortion(THD) and system instability. This paper proposes a new type of power source, which has high power factor and an improvement algorithm. The power of innovation adopts DSP digital double closed loop controlling method based on the existed analog circuits. The voltage loop transfer function and current loop transfer function of control system are obtained through the analysis of the improvement algorithm. The new type of staggered parallel boost PFC power source is designed according to the above analysis. The systemic test and contrast experiment results show that the power factor of new power is above 0.99, efficiency is above 0.95,and THD is less than 3%,which improves the stability of the system. Experiment and test results completely verify the correctness and feasibility of the new power source, it has a wide application prospect in the power supply.
Key words : new power;power factor;interleaved paralleled;improved algorithm

0 引言

  由于电力电子产品的广泛应用,产生了高次谐波和无功功率,严重影响电网和其他设备的正常工作,这就需要PFC技术的应用。在中大功率场合中,Boost PFC工作在电感/电流连续(CCM)时,电路输入/输出电流纹波小,流经开关管的电流有效值小,但在硬开关状态下,开关损耗高,二极管也会产生很高的恢复损耗。Boost PFC工作在电感/电流断续模式(DCM)时,二极管是零电流开通,减小了开关损耗,电感量小,但有较高的电感/电流峰值,在输入较高电压时,功率因数较低。Boost PFC工作在电感电流零界连续模式(CRM)时,具有零电流开关的特点,降低了电路损耗,且电感量比DCM小,但电路频率不固定,在输出负载较小时开关频率变化范围大,不利于EMI滤波器的设计,多应用于小功率的Boost PFC电路。

  交错并联Boost PFC是指不少于一个变换器基本单元并联组成的电路, PWM控制每个变换器的开关管交错导通 ,电流呈现交错状态流过每个开关管。参考文献[1-2]具体分析了耦合电感对交错并联Boost PFC电源输入电流、输出电流、电感电流的影响;参考文献[3]给出了加入均流电感对两路并联电感实现均流的方案;参考文献[4]对两路交错并联DC/DC变换器实现软开关的控制策略进行研究;参考文献[5]提出了一种基于拓扑组合的高增益Boost 变换器;参考文献[6]介绍了耦合电感的基本原理,分析了耦合电感对变换器开关频率、输入电流纹波的影响。本文提出了数字交错并联Boost PFC新型电源,对硬件和软件给出了具体设计方法,并进行实验验证。

1 硬件电路的设计

  1.1 交错并联Boost PFC硬件原理


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  图1是新型电源系统框图。新型电源主要包括主功率电路和DSP控制电路,可以看作是一个典型的自动控制系统。交流电输入电路后,通过EMI滤波器抑制外來电磁干扰,经过整流电路输入主功率电路。主功率电路是系统的控制对象,DSP控制电路是系統的主控制器。电压检测、电流检测、电压反馈是DSP控制电路的输入,两路脉冲宽度调制(PWM)是DSP输出,相位相差180°,占空比小于0.5,通过驱动模块控制开关管的导通和截止,使得两相电感/电流相位交错180°,电感/电流纹波相互叠加抵消以后,整个PFC电路的输入电流纹波得以大大减小,有效减小电感和EMI滤波器的尺寸。图2是交错并联Boost PFC的电流波形图。整个系统采用双环控制结构,电压环对输出电压进行反馈和调节,实现输出电压稳定;电流环控制输入电流跟随输入电压变化,实现PFC的矫正,理论上能够使功率因数达到1。

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  1.2 主电路参数设计

  1.2.1 开关频率的选择

  功率因数校正电路中,为了减小新型电源的体积和避免电路中的损耗过高,开关管的开关频率不能偏低,也不能过高。本设计开关管的开关频率fs为50 kHz,两路电感电流交错以后,实际输入频率达到100 kHz,这一频率使得整个系统工作在最佳状态。

  1.2.2 耦合电感值的计算

  两路电感L1、L2采用正向耦合,在正常工作状态下,L1、L2工作在DCM下,总的输入电流工作在CCM下。由于两路电感存在互感,解耦后的等效电路如图3所示。

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  在输入最低电压峰值和PWM占空比小于0.5的情况下,需要满足电感电流纹波要求。最小输入峰值电压为:

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  根据公式[7]:

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  得到:

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  其中Uo为输出电压有效值(400 V),Uin为输入电压有效值,D为PWM占空比,且D<0.5,则电感值为:

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  取L1、L2的电感值为200 H,输出功率为1 200 W。在输出额定功率恒定的情况下,输入最大电流峰值为:

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  设计中脉动电流为峰值电流的20%,则脉动电流:

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  电感上的峰值电流等于输入最大峰值电流加上脉动电流的一半:

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  1.2.3 输出电容的设计

  当输入电源切断后,保持时间是指输出电压跌落到正常电压的90%,设计保持时间:?驻t=1.5 ms,则输出电容:

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  设输入电压为:

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  输入电流为:

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  效率为:?浊=95%,则输出电流为:

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  Io在系统满负载时输出的电流为3 A。输出电流io(t)的交流分量流经输出电容产生的电压纹波为:

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  设计输出纹波为输出电压的5%,则输出电容为:

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  因此,输出电容用一个1 000 F/450 V、一个220 F/450 V和2个10 F/450 V并联,输出电容实际值为1 240 F。

2 控制系统的分析与设计

  为了实现系统恒功率的控制,取整流后的输入电压平均值为V,在模拟控制中,V由二阶低通滤波得到,含有二次纹波,会影响功率因数的提高。在改进型算法中,用数字离散方法计算V:

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  式中,N表示一个周期内的采样次数,取2 000次;V(i)表示第i次采样值,避免了引入二次谐波,提高了功率因数。对于传统PFC电路的基准电流容易受到输入电压干扰的缺点,提出了采用电压环和电流环双闭环数字PI控制算法。在此算法中,输入电流正弦波形由DSP内部软件完成,当输入电压受到干扰发生畸变时,能够保证输出为高度正弦的电流波形,从而使系统保持很高的功率因数,算法结构如图4所示。

  基准电压Vref与输出电压采样Vinput比较得到电压误差信号Verr,Verr经过电压调节器输出信号A。信号A、数字正弦表取值B、输入电压平均值C、比例系数Km作为电流基准算法的4个输入,通过算法得到输入电流基准Iref。Iref与输入电流采样值Iinput比较之后得到电流误差信号Ierr,Ierr经过电流调节器计算后,输出开关管的PWM驱动信号。由图4可知,电压环的传递函数:

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  其中,Vo是输出电压,令:

  1618.png

  式中,Tv是采样周期,将式(17)、式(18)代入式(16)进行z变换,得:

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  再进行z逆变换,得电压环控制算法:

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  同理可得电流环传递函数:

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  式中,Io是开关管输出电流,令:

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  采用双线性变换:

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  式中,Ti是采样周期,将式(23)、式(24)代入式(22)进行z变换,得:

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  再进行z逆变换,得电流环控制算法:

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  DSP数字控制程序由主程序和中断服务子程序两部分组成。主程序完成各功能模块的初始化,中断程序包括电压环计算、电流基准算法、电流环计算。程序流程图如图5所示。

3 实验结果


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  本文基于DSP数字控制平台,根据硬件和软件设计,制作了一台1.2 kW的数字PFC电源,并对创新型算法进行实验验证。实验参数:输入电压为220 V,开关频率为50 kHz,耦合电感为200 H,输出电容为1 240 ?滋F,输出电压为400 V。图6(a)是输出满载1.2 kW的实验结果,可见输入电流波形跟随输入电压波形,功率因素为0.993,效率为95.715%,THD为2.558%。图6(b)是输出负载突然变化的情况下,输入电流大小随输出负载变化而变化的波形图,可见输入电流波形跟随输入电压波形,没有发生畸变,输出电压稳定,几乎没有抖动,功率因数为0.996,效率为95.506%,THD为2.304%。因此证明了新型电源和改进型算法的可行性和正确性,系统稳定性好,达到实验要求。

4 结论

  本文针对并联交错Boost PFC新型电源,对耦合电感和输出电容进行了详细的设计,提出了基于DSP的改进型双闭环控制算法,外环为电压环,内环为电流环,基于PI控制算法来实现内部运算,达到控制效果。最后设计并制作了1.2 kW的数字PFC电源。大量的实验结果表明,新型电源有效提高了功率因数和效率,降低了THD,很大程度上减少了电路对电网的谐波污染,具有很好的稳定性和动态性,满足工业上对负载突变的严格要求,拥有很好的市场应用前景。

参考文献

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