单相Boost功率因数校正电路拓扑及控制算法的研究（可编辑）

单相Boost功率因数校正电路拓扑及控制算法的研究（可编辑） 盛邀型蝗型噬刻邀趟赶亚选 盟整 电一:一 ? 论文作者签名: 一一??。 指导教师签名: 论文评阅人: 评阅人: 评阅人: 越魁越 史逝逝 盐盔太 燃幽必 巡敞戚经一赳雠 ??一 国一江一江一 攀 量堂堂, 评阅人: 评阅人: 答辩委员会主席:毖位超熬援塑江太堂廑旦电王堂丕 委员:昱燮堡数援逝江太堂应届电壬堂丕 委员:挞垩副数援逝江太堂电王鱼王基础塾堂空坠 委员:周丞宝直王杭刎虫值圆终自动丝直陧公亘 委员:塞明搓直王植州主垣电氢避俭直陧公蜀 委员:? ’ : : ’ : : :: 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果,也不包含为获得逝江太堂或其他教育机构的学位或 证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文 中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名: 签字日期: 、。年;月日 ?喝 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解堑江太堂有权保留并向国家有关部门或机 构送交本论文的复印件和磁盘,允许论文被查阅和借阅。本人授权浙堑太堂 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播,可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后适用本授权书 导师签名 学位论文作者签名: 濉\ 签字日期.少?工年孑月日 签字日期:山埠?月日浙江大学硕士学位论文 致谢 致谢 在此论文即将完成之际,要特别感谢马皓教授,本论文是在马老师的悉心 指导下完成的。从本人大三做开始,马老师在学术和生活上都给予了我无 微不至的关怀和热情帮助。马老师深厚的学术造诣、踏实勤奋的工作作风、严谨 求是的科研态度、勇于开拓的创新精神时刻激励和感染着我,为 我树立了科研的 标杆,使我学到了做学问的认真态度、严谨专注的作风,更让我明白了作为一名 科研工作者应该具备怎样的价值观。在此向马老师致以崇高的敬意和尊重,师恩 深厚,终身铭记 同时也要感谢实验室所有的师兄师姐、同学朋友和师弟师妹们,感谢你们在 生活和科研上对我的帮助感谢已经毕业的师兄师姐们:许飞、周雯琪、俞宏霞、 孙轩、刁智海、严颖怡、丁银江、陈雪冰、季悦、吕亚东,感谢你们在我刚进实 验室时给我的鼓励和帮助,以及日后的悉心指导;尤其感谢“张老师”张尧博士 和已毕业的董亮博士在科研方面的经验传授;感谢郑伟锋、郭津、赵国强、韩晓 明、李婷、尹艺迪、陈隆宇、郭倩、李敬、周博、马菱旎、王小瑞、刘秦伟、王 禹玺、马炯、刘泓阳、刘伟、祝帆、林燎源、林钊等实验室人员和同学们,与你 们一起渡过了开心的实验室生活。 感谢家人默默给我的支持和鼓励,你们是我精神力量的源泉 最后,感谢所有关心我的朋友们和亲人们 阳彩 年月于求是园摘要 浙江大学硕士学位论文 摘要 为了限制电子设备对电网的谐波污染,国内和国际都制定了相应的谐波电流 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 。各种功率因数校正技术也因此被用于减小输入电流谐波,提高系统功率因 数。有源功率因数校正电路相对无源功率因数校正电路能够获得更好的功率因 数,而其中功率因数变换器更是被广泛研究和运用。本文的研究对象为单 相功率因数校正电路,并且对其进行了以下几方面研究: 提出了应用.的倍压功率因数校正电路拓扑,采用? 简化了功率因数校正电路拓扑结构。该电路拓扑理论上损耗较低,系统传输 效率可以较高。 建立了三电平功率因数校正电路拓扑的准静态模型,在准静态模型的 基础上对电路的稳定性和动态性能进行了较为详细地 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ,并且给出了控制 参数的 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 方案。相对传统的模型分析 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 ,该模型分析方法更为合理,能 更为精确地给出参数的选择范围。 在输出电压动态响应方面,提出了输出电流估算算法。在不进行输出电流采 样的情况下,通过算法实现输出电流的估算,进行输出电流注入,从而实现 了输出电压动态性能的提高。省略了输出电流检测电路,节省了硬件成本, 并且对于现有的数字控制的功率因数校正电路系统,只需要更新控制程序, 即可达到输出电压动态性能的改善。 提出了应用于倍压功率因数校正电路的反馈线性化控制。将非线性的 功率因数校正电路系统进行线性化,然后可以采用经典线性系统的控 制手段进行分析设计。应用反馈线性化控制可以较好地改善功率因数校正电 路系统的稳态特性和动态性能,获得更好的功率因数值和良好的动态响应。 关键词:功率因数校正,,?,准静态模型,动态性能,输出电流 估算,反馈线性化 ? , . . 眦 胁,,., : , 、 ? 西 .. . .仳 . , . 卸 . : ,唧 ,,.? , 。 , . . , , 目录 浙江大学硕士学位论文 目 录 .. 致谢 . 摘要 .? . 目录 第一章绪论. . 弓言。 . 单相有源功率因数校正拓扑。 . 控制方式 . 软开关技术? .. 谐振环电路.. 零电压电流开关变换器 .. 零转换变换器?. . 本文的研究内容??. 电路 第二章一种应用的倍压 . 电路工作原理 . 电路特性分析??.. .. 最大电感电流纹波.. 器件电压耐量? .. 导通损耗和开关损耗?. . 系统损耗分析 . 仿真结果. 实验结果...?.. 电路拓扑基于准静态模型的分析设计 第三章三电平 . 电路工作原理 . 平均电流模式控制的小信号模型? . 准静态模型分析.. 单相三电平 电路的小信号模型推导.. 准静态模型分析 . 实验结果第四章快速动态响应算法及反馈线性化控制 .?种数字控制的快速动态响应算法 .. 快速动态响应算法推导 .. 算法在中的实现。 .. 实验结果及分析 . 反馈线性化控制.. 倍压功率因数校正电路的大信号模型 浙江大学硕士学位论文 目录 .. 反馈线性化控制设计? .. 实验结果。 第五章结论与展望 . 论文结论. 展望 参考文献 攻读硕士学位期间发表和录用的论文 浙江大学硕士学位论文 绪论 第一章绪论 .引言 整流电路是一种将交流电能转换成直流电能的变换电路,在各种电力电子仪 器设备中应用较为广泛。传统的不控整流电路如图.所示,由二极管整流桥 和输出大电容构成。图.所示的为对应该电路的输入电压电流波形,输入电 压为正弦波,而输入电流则为脉冲形式,谐波含量非常丰富。因此,这种整流电 路的功率因数较低,将对电网造成严重干扰。 影?....?.?憋 岁‘??。屹 图.传统不控整流电路 为了限制电子仪器设备对交流电网的谐波污染,国内外推出了相应的谐波电 流标准。而为了减小谐波含量,提高变换电路功率因数,各种功率因数校正电路 得到广泛研究和应用。在这些功率因数校正电路中分无源和有源两种,无源的相 对简单,而有源的相对能够达到更高的功率因数。以下讨论均为单相的有源功率 因数校正电路。 .单相有源功率因数校正拓扑绪论 浙江大学硕士学位论文 从能量流向来看,可以将单相功率因数校正电路分为单向功率因数校正电路 和双向功率因数校正电路。不管是单向的还是双向的单相功率因数校正电路,都 是以、、.和等基本拓扑元素构成【~,不同的是 对于单向电路而言,其电路中一般包含二极管整流桥,这也是为何能量不 能反向传输。当然,除了含二极管整流桥的单向电路外,还有无桥的单向 电 电路、单向 电路。图.至图.所示的分别是单向 电路,其他拓扑元素的电路这里 电路和双向 路、双向 不一一列举。 厶 ? / ? 广卜 。弋 ? 一 ? ? 电路 图.单向 工口 乙 ??一 ?? 一 ? ? 广?一 一 ? 一 ? ? 电路 图.单向 扣一砷一 ?旷、厂?儿一 . .中 中 图.全桥双向电路 浙江大学硕士学位论文 绪论 图.双向 电路 在这些单相电路当中,型的电路由于其拓扑相对较为简单 而成为广泛研究并应用的电路,而以下分析和探讨单相电路都将 主要以 型的单相电路为对象。 为了提高单相系统的效率,以及优化其电路性能,几种新型的单 相 电路得到广泛关注,这就是无桥电路、倍压电路、多电平的电路 以及交错并联的电路,以下对这几种电路拓扑进行简单介绍。 ..无桥 电路 电路进行了讨论,这里列举一下三种无桥 文献~对无桥 电路进行分析。 图.基本无桥 电路浙江大学硕士学位论文 绪论 图.含双向开关的桥式 电路 图.采用回流二极管的无桥 电路 图.所示为基本的无桥 电路,其中半导体器件为:两个快恢复 的二极管和两个带反并二极管的开关管。相对于传统的单相 电 路即 图所示的电路,该电路最大的优点在于电流路径上的半导体器件数比传统 单相 电路少一个,图所示的电路运行期间电流流过的器件数为 个,而无桥 电路在电路运行期间电流流过的器件数为个,所以该电 路可以大大减少通态损耗,有利于系统效率的提高。 但是图.所示的电路存在共模的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 ,所以该电路在实际应用中存在 困难。为解决该问题,有许多研究对此电路做改进,这里列举两种可以实际应用 的电路,如图.和图.所示。但是这两种改进的电路也有其缺点,图.所 示的电路使用了个快恢复的二极管,而图.所示的电路需要两个电感。 ..倍压 电路 进行了讨论,这里将典型的单开关的和半桥的 文献~对倍压 倍压 电路进行分析。 浙江大学硕士学位论文 绪论 ’ ?? ?? ?? ? ? % , 厂??“ 『恐 、 广 ?? 一 一 ? 一 ? / . 图.单开关倍压 电路 在许多应用场合需要高增益的变换器,倍压 电路能很好地 满足该需求,另外对于需要提供输出中点的应用,该电路也适合, 如半桥逆变器 的前级电源。如图.所示的为单开关管的倍压 电路,倍压 的特点在于其工作分正负工频周期两个部分,而这两个部分都相 当于一个传统的 电路,由于这两个工作部分分别对两个输出电容进行充电,所以 等价 条件下该电路可以输出两倍高的传统 能输出的电压。另外,我们可以 看出该电路的另一个优点,那就是该电路的器件耐压量仅为输出电压的一半,这 有利于器件的选型,同时也有利于减少开关损耗。 事实上倍压 的优点还不仅如此,不难发现相对于传统的 电路,该电路在电流路径上的器件数量也减少了,当然图.所示的电路拓扑对 于这点不是非常明显,而图.所示的拓扑可以非常明显地体现这一点。该电 路在电流路径上的器件数量已经减少到了极致,器件数目仅为一个,这大大减少 了通态损耗。 图.半桥倍压 电路 浙江大学硕士学位论文 绪论 而该电路也有其缺点,由于该电路的两个输出电容是半工频周期的交替控 制,所以输出中点的电位呈现半工频周期的电压波动,而且也因此缺乏带不平衡 负载的能力,虽然输出电压可以保证平衡,但是输入电流会呈现不对称。 ..三电平的 电路 在高压或者高功率的场合,多电平的电路显示出其独特的魅力。 多电 平的单相电路有许多的研究【?,这里主要讨论三电平的 电路。 厶 /一 一 : ? 么 广?一 』. . . ’ 凰『. .歹 ? 一 一 ? ? 上 . . 图.三电平电路 图.采用双向开关的三电平 电路 三电平的 也有许多种电路形式,这里列举了图.和图.两 种电路形式。三电平的 相对于传统的 而言,其优点在于器 件耐压量减少为输出电压的一半,从而有利于减少开关损耗,并 且有更大的器件 选择范围。另外,三电平的 相对于传统的 电路还有一个优 电感量的 点,那就是对于一定的电流纹波要求,其电感量只需要传统 /。这个可以根据电路运行规则推算出来,这里不进行具体推导求 解。 ..交错并联的 电路 绪论 浙江大学硕士学位论文 电路为近几年研究的内容【~,这里列举其中三种电 交错并联的 力路进行分析。 图.交错并联 电路 电路,相对于传统 如图.所示为典型的交错并联的 电路,该电路的优点在于其升压比可以更大,并且可以做更大的 功率,和三电平 电路一样,其电感电流纹波比传统的电路的小。 电路 图.交错并联的半桥 一 ? 一,’ ? 幸: 一 一 ? ?爷 电路 图.交错并联的图腾 电路较传统 电路多一套开关器件, 交错并联的 单这也可以分散功率损耗,控制上也稍微复杂一些。总体而言, 交错并联的 浙江大学硕士学位论文 绪论 电路有很吸引人的优势。正因为如此,交错并联的特点被用于其 他拓扑的 电路,而图. 电路,如图.所示的为交错并联的半桥倍压 所示的为交错并联的图腾无桥 电路。 .控制方式 单相电路的控制方式有许多种,也是当前电路研究的一大方向。 根据电路的控制器的种类可以将电路的控制方式分为模拟控制 和数字控制 两大类,而这两大类控制方式下又有许多小类的控制方式,下面 将逐一列举一些 控制方式。 ..峰值电流控制 图.峰值电流控制 文献【~讨论了峰值电流控制,如图.所示的为峰值电流控制下的电 感电流波形。控制器控制开关管以恒定频率开关,开关导通时电流上升,当电感 电流达到参考电流值时开关管关断,电流下降,直到下一个开关周期,如此周而 复始。该控制方式实现较为简单,但是占空比大于.时存在次谐波震荡,需要 加谐波补偿,另外该控制对噪声敏感,且电流存在较大误差。 ..滞环电流控制 图.滞环电流控制 文献讨论了滞环电流控制,如图.所示的为滞环电流控制模式下 绪论 浙江大学硕士学位论文 电感电流的波形。在这种控制方式下,开关频率不在保证恒定,而是设定电流的 上限和下限。当电感电流小于电流上限时开关管开通,电感电流上升,当电感电 流上升到电流上限时开关管关断,电感电流下降,如此循环。该控制方式也较为 容易实现,但是由于开关频率不是恒定的,所以设计时需要按最低频率选取某些 器件。 ..平均电流控制 图.平均电流控制 文献讨论了平均电流控制,图.所示的为平均电流控制模式的电 感电流的波形,此种控制方式下,电感电流与参考电流之间的误差小,且频率恒 定,对噪声不敏感,所以是较为常见的控制方式。 ..预测电流控制 预测电流控制不仅有恒频的预测控制算法,也有变频的预测控制电流算法 .。该控制方式是基于系统自身的微分关系,根据已知的状态量,在本开关 周期内预测下一开关周期的控制。该控制方法在数字控制方式中实现简单, 小,但是该控制方式依赖于系统的参数,不过可以加参数估计算法。 ..单周期控制 单周期控制是一种非线性控制乒彤】,是基于大信号非线性来线 性处理 信号,同时具有调制和控制的双重性。该控制方式不管是暂态或者稳态,都能保 证受控制量的平均值等于或者正比于给定参考,能在一个开关周期内抵制电源侧 扰动,理论上没有静态误差和动态误差。 ..非线性载波控制 非线性载波控制方式不需要电流控制误差放大器,也不需要电压反馈环的乘 法器【弧,下面将简单介绍该控制方法的基本原理。 对于图所示的传统 电路,在低频情况下应该满足输入电流跟 浙江大学硕士学位论文 绪论 随输入电压的形状,即 如旦 尺 其中。为等效输入电阻。 而根据基尔霍夫定律,可以得到 一 . 。 对于系统损耗可以忽略的情况下,由输入输出功率守恒有 ’,工。一 . 由以上关系式可以得到 一,‘ 眚一声 .. /‘、,~ 、,、, 匙一摹 凡乃 鱼×?? 一? 。 矿。 所以非线性载波控制方式就是在开关周期开始时开关管导通,直到正比于流 过开关管的电流的积分的信号达到一参考值,该参考值为 ’,。:鱼×?? ...滑模控制 滑模控制又被称为变结构控制,也属于一种非线性控制郾。该控制方式 能根据变换电路的不同运行状态,有效地控制变换电路在不同工作模式的切换, 达到最优控制变换电路的目的,并且系统能有很好的动态性能和鲁棒性。 此外还有电流前馈控制】、相位前馈控、重复控制【、坐标变换控 制【硎和非线性电流控制嗍等等多种控制方式被应用于电路的控 制之中。 .软开关技术 为了减小器件的电压电流耐量,同时降低器件的开关损耗,软开关技术被广 泛研究与应用‘。而软开关技术根据不同标准有不同的分类,按照软开关电 浙江大学硕士学位论文 绪论 路是否将能量消耗可以分为有损的和无损的软开关;而按照软开关器件的类型可 以分为有源和无源软开关;根据主开关开关时的电压电流情况可以分为电压型和 电流型两大类,进而可以细分为谐振环电路、零电压电流开关变换器、零 转换变化器,以下简单介绍这几种软开关技术。 ..谐振环电路 谐振环包括直流谐振环和交流谐振环,其中交流谐振环较直流谐振环所需器 件数量多,控制复杂,所以使用相对较少。 谐振环电路的主要思想是让直流母线的电压或者电流出现周期性的过零点, 从而实现器件软开关。 ..零电压电流开关变换器 零电压电流开关变换器又可以细分为零电压开关变换器和零电 流开关变换器,其主要原理是在主电路中加入谐振元件,通过谐振电感和 谐振电容之间的谐振达到软开关的目的。由于谐振元件直接在主电路当中,所以 会给主器件带来附加的应力,并且依赖输入输出的条件。 ..零转换变换器 零转换变换器又可以细分为零电压转换变换器和零电流转换 变化器,其主要原理也是通过谐振元件之间的谐振达到软开关的目的,与 零电压电流开关变换器的不同在于其谐振元件不是加在主电路中,而是作 为主电路的支路。 .本文的研究内容 如何提高系统的转换效率,减小输入谐波电流提高功率因数,以及加 快输出对负载突变的动态性能,是电路研究的几大热点。本文以这几方面 作为研究目标,做了以下研究工作。 提出了应用.的倍压 电路拓扑,采用.大大简化 了的拓扑结构。该电路拓扑结构,在任何时刻输入电流路径上只有一个 半导体器件,极大地减小了通态损耗;器件工作时的耐压仅为输出电压的一 半,因此开关损耗大大降低。综合来看,该电路拓扑损耗较低,系统传输效 率很大程度上得到提高。 建立了三电平 电路拓扑的准静态模型,在准静态模型的基础上对绪论 浙江大学硕士学位论文 电路的稳定性和动态性能进行了较为详细地分析,并且给出了控制参数的设 计方案。相对传统的模型分析方法,该模型分析方法更为科学,能更为精确 地给出参数的选择范围。 在输出电压动态响应方面,提出了输出电流估算算法。在不进行输出电流采 样的情况下,通过一定的算法实现对输出电流的估算,从而进行输出电流注 入。省略的输出电流检测电路,节省了硬件成本,并且对于现有的数字控制 的系统,只需要更新控制程序,即可达到输出电压动态性能的改善。 提出了应用于倍压 电路的反馈线性化控制,将非线性的 系统进行线性化,然后可以采样经典线性系统的控制手段进行分析设计。应 用反馈线性化控制可以很好地改善系统的稳态特性和动态性能,可以获 得相对更高的电流环增益,从而可以获得更好的功率因数值;加入了输出电 流的检测量,使得系统输出电压对输出负载的突变有良好的动态响应。 浙江大学硕士学位论文 一种应用.的倍压 电路 第二章一种应用.的倍压 电路 对于某些要求高输出电压的应用场合,传统的 电路很难满足这么 高的电压增益,而倍压 电路相对比较适合。在..节当中已经对倍 压 电路进行了简单介绍,并且列举了单管倍压 电路和半桥 倍压 电路。这两种拓扑相对具有代表性,单管倍压 电路控 制相对简单,开关管耐压为输出电压的一半,开关损耗相对较小,但是由于二极 管整流桥的存在,电流路径上的半导体器件数相对较多,通态损耗也相对较大; 而半桥倍压 拓扑相对简化,输入电流路径上的半导体器件数仅为一 个,通态损耗大大降低,但是该电路拓扑中的开关器件耐压为整 个输出电压,开 关损耗相对较大。为了克服通态损耗和开关损耗之间的矛盾,本 文提出一种应用 逆阻的倍压 电路,能够同时得到相对较低的通态损耗和开关损 耗,从而获得较高效率。 .电路工作原理 运用.的倍压 电路如图.所示,该电路由两个输入电 感厶和三,两个逆阻开关管和,两个输出整流二极管和,以 及两个输出电容和组成。对应于一个工频周期,该电路的部分波 形由图 .给出。 ’,一 一? 图.运用通.的倍压 电路电路 一种应用.的倍压 浙江大学硕士学位论文 一。。’~~ 、 ‖’ 一一 \ \ \ 一一 \ , 、、、 .,‖ 一 /、、、一、一\ ~/、、/、 一\ \一一、一 /、/、/ 儿 \爪 / \ / ~一一 、、~ ‘ 一,, ? ? ? :; / ? 。’“ “? ~..,‖ 一 \ 一一 。:. ’ 、、~ ,,‖ ? / 一. \ / ’ , 、、、~ 、一,,‖ , 电路中部分波形 图.运用.的倍压 根据电路的对称性,可以将电路分成两部分。由电感、开关管、输出 整流二极管和输出电容组成部分电路;由电感、开关管、输出整 流二极管和输出电容&组成部分电路。 一种应用.的倍压 电路 浙江大学硕士学位论文 依据该电路的运行,可以将其分为两个大的运行阶段,分别对应工频周期的 正半周和负半周。并且参照器件的开关状态,每个阶段又可以分为两个模式。以 下将详细介绍每个运行模式的工作情况。 阶段正半周 模式:整个阶段期间,部分电路不运行,半导体器件处于截止或反偏 状态,电感厶不流过电流。部分电路中,开关管导通,输出整流二极管 反偏。电感三中的电流线性增加,进行储能。 . 一:鳖 址 厶 模式:此模式下,部分电路仍然不运行。此时开关管截止,输出整流 二极管处于正偏状态,储存在三中的能量传送至输出。 . 垃岔 字 阶段负半周 模式:整个阶段期间,部分电路不运行,半导体器件处于截止或反偏 状态,电感 不流过电流。部分电路中,开关管导通,输出整流二极管 反偏。电感厶中的电流线性增加,进行储能。 ?,, 。 ???錾?二 . ? 厶 模式:此模式下,部分电路仍然不运行。此时开关管截止,输出整流 二极管处于正偏状态,电感 中的电流线性下降,储存在厶中的能量传送至 输出。 垃:壁 亿 上 各个模式下输入电流流通路径如图.所示。电路 为了 由于电路具有高度对称性,这里取三屯吒,尺。。。 简化分析,假定输出电容电压为一恒定值,忽略其纹波。以下对电 路的特性进行 具体的分析。 ..最大电感电流纹波 该电路的输入电感电流纹波可以表示为 . 、 馘:业..一 ‘ 其中为开关周期,表示电感电流纹波,为占空比。 可以推导出当占空比为.时,该电感电流纹波达到最大值,并且最 大值 为 . 她一等 ..器件电压耐量 由于该电路中的开关管均为逆阻,所以开关管的电压耐量分正向 电压 用.的倍压 电路 相同,并且由下式给出。 . . ?舢。‰ 其中圪删和‰?麟分别表示正向和反向电压耐量。 由.式可以看出,开关管的反向电压耐量与输入电压相关,输入电 压 越高,反向电压耐量越高。图.展示了两者之间的关系。 ./ / / / 藿 ./‘ 薏 / / 蜘 , /、 娄 ./’输入电压/ 图.开关管反向电压耐量与输入电压之间的关系图 对于输出整流二极管和,其电压耐量为 . 。了矿呲 其中%表示二极管的电压耐量。 输出整流二极管同样与输入电压相关,并且二者的关系可以由图. 形象地 给出。 / ??一 ,、 ?? 艺 ??, 幽 ./ 窿 ?? 扭 一 , 聪 ??一 ? 羽 / 解 ?????的们?输入电压/ 图.输出二极管电压耐量与输入电压的关系,其中输出电压为 ..导通损耗和开关损耗 浙江大学硕士学位论文 一种应用?的倍压 电路 由于该电路并未采取软开关措施,因此不管是通态损耗还是开关损耗,都同 样占系统总损耗的相当一部分。 如图.所展示,可以看出任意模式下,输入电流路径上都只有一个半导体 器件,这样使得通态损耗比较低。而开关管的开关损耗与电压耐量、流过的电流 及其开关频率都由关系。由图.可以看出,开关管处于开关交替工作状态时, 器件的耐压量仅为输出电压的一半,这便使得半导体器件的开关损耗降低了。电 路系统的传输效率也因此可以得到提高。 ..倍压 电路之间的性能比较 相对传统的 电路,倍压 电路拥有更高的电压增益。而 不同的倍压 电路之间也由性能的差别,有的通态损耗较低,有的 器件 耐压量低,有的开关损耗较小,等等。 这里将传统的 电路、单开关的倍压 电路、半桥倍压 电路,以及本文提出的运用.的倍压 电路进行一系 列的性能比较,并将其列表于表.。 表. 电路之间的性能比较 单开关倍 半桥倍压 运用. 传统 压的倍压 电路 电 电路 电路 路 电压增益 . 切 .? .影 影 ? 最大电感电流纹波 三 三 矿。 矿。 正向 。 矿。 开关电压耐 且 基反向 矿础 矿。 矿。... 矿。 输出二极管电压耐量 吐 十 么 开关导 通 电流路径上半 导体器件数 开关关 断 开关损耗 中等 低 高 低 浙江大学硕士学位论文 一种应用.的倍压 电路 由表.司以看出,单开关的倍压 电路器件耐压低,开关损耗小, 但是通态损耗相对高。而半桥倍压 电路则相反,通态损耗低,但是器 件耐压高,开关损耗高。综合来看,本文提出的运用逆阻的倍压 电路拥有相对较好的综合性能,通态损耗和开关损耗都相对较低, 系统传输效率 可以做到更高。 .系统损耗分析 单相倍压功率因数校正系统的损耗主要包括开关管损耗、输出整 流二 极管损耗和电感损耗这三部分,以下将对这三部分损耗进行单独 分析。 在进行损耗分析前,先对各处电压电流情况进行分析。 ; ; .; ; 产; 。; . 由此可以得出输入电压电流的表达式分别为: . %以谳,? 泣? 乇鲁础分?鲫 而占空比的表达式为: 旺四 问一警陋吲删? 开关管和二极管的电流表达式分别为: . . 岛 “ 旺广 讧掣之 ‰屯×,尼:? . ‘ .? .旺? 锄么?:? 屯×一,七: 浙江大学硕士学位论文 二登鏖旦些:里呈箜堡垦呈竺坠兰皇堕 ?????????????????????????????????????一一 .?,.:爱囊? ?厶’ . 【,? ,? 幻 ... 舰型扣 【厶/, 根据公式,~.可以计算出开关管和二极管的电流有效值和平均 值,以及电感电流变化量半个工频周期内的平均值。 . 瓦:上乓. 智。 . . . 瓦去善观 . . 懈 ’ 厩?击善她?。名 “ 缸上?她. 二。‘ 有了以上数据就可以对三处主要损耗进行计算,并且假设两个开 关管的损耗 相等,两个整流二极管的损耗相等,以及两个电感的损耗相等。 开关管损耗主要包括通态损耗和开关损耗,由此可以计算得: 风一鲫×%一钟 . :.. .?’ 肋一删抛×如% . ×..其中%册为导通压降,刀和砌分别开通和关断损耗。 因此两个开关管的总损耗为: ?二登窒旦垦里:鱼里塑堡垦旦竺竺皂堕 浙江大兰堡主堂堡笙茎 ??。。??。。。。。。。?。。?。??。?。??。。。 ?。。。。。’???????????一 一。一 风 一渊一删妯孵 . . 输出整流二极管的损耗主要包括通态损耗和关断损耗亦即反向 恢复损耗。 嘲×’×巧 嘲× × ×.. . . 娜 ,.蹦? :..毋. 其中珞为正向导通电压,匆为温度系数,蛐为最大反向恢复电流, 垛为反向 电压,“为反向恢复时间。 由此可以求出两个输出整流二极管的损耗为: 鳓一例一万 . . 电感损耗包括铁损和铜损两部分,铁损计算为, 比×屹 眈: 《? . 彘×”? 淼. . 其中圪』和分别为两个电感的寄生电阻。 计算铁损需要首先查出单位体积磁损,这里使用的磁芯型号为, 平均磁摆幅为: ‰ .& 肛鳓??了?一 .万×。..×。《. . 其中?为电感线圈匝数,厶为有效磁路长度。 图.东磁铁硅铝磁损特性曲线 因此两个电感的损耗为 血 . . 根据以上计算可以估算出系统的总损耗为: 风一 . . 因此系统的效率估算为: ,??????.?一× /,、 ’ 一.?, 巧丽丽丽ד。/ . .% 此处还有其他线路损耗未考虑在内。浙江大学硕士学位论文 ~ 种应用的倍压 电路 图.分析损耗分布图 .仿真结果 为了验证本文提出的电路的特性,在的里先进行了仿真, 具体仿真参数如下所示:. ‰:; /眦:;:.;石: .;. 具体的仿真结果如图..图.所示。 图.所示为输入电压和输入电流的波形,由图可见输入电流很好地跟随了 输入电压,输入功率因数较好。输入电流的总谐波失真度为.%,而具体的谐 波含量由图.给出。 图.展示的为电路中各半导体器件的电压波形。由图可见和两部分 电路交替工作,器件工作的半个工频周期内其耐压仅为输出电压的一半,而不工 作的半个工频周期内器件上的电压跟随输入电压缓慢变化。 刽融腻沧 融 / \ / \ / \ / 入 / / 宁\/ // 图.仿真中的输入电压和输入电流波形浙江大学硕士学位论文 二登查旦些:旦呈箜堡里呈坚竺皇堕 ?????????????????????????????????????????????????????? 一一 ; 。啪弛饼橱 : 图.仿真中的输入电流谐波谱图 蠼董蚕蠢萋墓弱跚删 ?曩曩弓:?三,圜::莸,/ 上’匕::二:墨之王:::::::::墨乏::::::.::?之::::.二:二工三兰::::二:翌刍 /】 / /】 图.仿真中的‰,%,,和肼波形 图.所示的为系统的输出电压波形。输出电容和玉的电压相等,且 都等于输出电压的一半,其具体的电压纹波由图.展示。 【/ 图.仿真中的输出电压波形浙江大学硕士学位论文 一种应用?的 倍压 电路 卜?邑专鼍 事??每??事:二享爿慷/】 专?专?争????攀争?孑罨习%,崩【/】 二:墨?黑号专烹专?专???每刊?础【州 /】 图.仿真中的输出电压波形展开图 .实验结果 为了进行实验验证,搭建了. .的实验平台,其具体细节 如下所示: :脚; 圪:;:.;石:. 而电路实验的器件型号由表.给出。其中开关管和均为逆阻, 输出整流二极管为超快恢复二极管,其反向恢复时间小于。 表.测试电路器件型号 器件 型号开关管 输出二极管 . 电感&上 输出电容. / 控制器 实验具体结果如图.图.所示,满载功率等级为.。 如图.所示,实验中输入电流也能较好地跟踪输入电压波形,并且实验 测得功率因数为.。图.给出了输入电流的谐波含量分布,总的谐波失真 度为.%。浙江大学硕士学位论文 二登查里垦里:鱼呈箜堡里呈坚竺皇堕 ? 二?????????????????????????????????????????????’???????????????一一 触【/ 图.实验中输入电压和电流波形 图.实验中输入电流谐波谱图 由图.可以看出,工作期间内,开关管的耐压等于输出电压的一半;不 工作的半个工频周期内,器件两端电压等于输入电压。而工作的半个工频周期的 开关管的开关波形展开图由图.给出。 矗 ’. 蓬 ?? ? 褫 缓 缓 魏 豳 圈 .圈 ?? 豳 隧.: : ? 产 ?巍翁 霪罄 图.实验中开关管电压波形和输入电流波形一种应用.的倍压 电 路 浙江大学硕士学位论文 一 图.开关管的电压波形展开图 由图.可以看出,输出整流二极管工作期间内的电压耐量为输出 电压的 一半,开关损耗降低。就整个工频周期内来看,其器件耐压为‰ 卫。眦,同 样小于输出电压。二极管的展开开关波形如图.给出。 / 图.实验中输出二极管电压和输入电流波形 心 图.输出二极管电压波形展开图 图.展示了电路输出电容的电压波形。可以看出二者的平均值是 相等的, 浙江大学硕士学位论文 二登查旦垦呈:鱼呈塑笪垦里尘里塑 ?二二??二????????????????????????????。。。 ‘‘??’?????。???????????????一一 一一. 电压纹波周期均为,即输入电压的工频周期。 ‰【/】 【/ 【/ 图.实验中输出电容电压 图.给出了实验平台在不同负载情况下的转换效率图。可以看出, 在满 载的情况下,即.,系统的效率达到.%,实现了高效率传输。 . . . 饕. . .输出功率/ 图.系统转换效率曲线三电平 浙江大学硕士学位论文 电路拓扑基于准静态模型的分析设计 电路拓扑基于准静态模型的 第三章三电平 分析设计 多电平变换电路在高压大功率场合非常适宜,相对传统两电平电路,在多电 平电路中器件耐压低,开关损耗小,并且同样电感的情况下有更小的电流纹波。 图.所示的为单相三电平 电路,已经有较多的研究关于该电路拓扑。 本文中将从一个新的视角来分析和设计该电路拓扑,与传统分析设计基于将输入 视为一恒定有效值的直流量不同,这里将考虑系统中变量的正弦变化,从而得到 更为准确的模型,称之为准静态模型,进而进行参数设计。 三 ’ ‘ 『 ?? ? 三 十 工 一, ? ? 一 , 。、 ?沪 上 ..? .岛』 ?? 一 .? ?? 『 ? 一一 . . 图.单相三电平 电路 .电路工作原理 如图.所示的为单相三电平 变换器,其组成为:一个二极管整 流桥,输入电感三,两个开关管和,两个输出整流二极管和,以及 两 个输出电容和。为了简化分析,这里假想所有器件均为理想器件。 而分析 建立在电路运行的情况下,输出电容相等并且输出负载对称。 这里采用移相控制,开关管的控制信号以及电感电流波形如图. 所示包 括/.和/.两种情况。浙江大学硕士学位论文 三电平 电路拓扑基 于准静态模型的分析设计 ; / / ‘\. ‘\. .// \.//八. ; , 《 .; 》 ,图.开关管驱动信号及电感电流波形 .;. 由于单相三电平 电路有两个开关管,所以存在四种开关状态,如 图.所示。但是对于不同的占空比情况.和.,都只包含三种开关 状态,并且开关状态只存在于.的情况,而开关状态只存在于. 的情况。??辞一?。三一一 开关状态 . 开关状态