功率因数校正与升压整流器

Dr.K.Ravichandrudu¹p .苏曼·普拉蒙德·库马尔², M.Sailaja^3., M.Meena^3.

教授，EEE系，克里希纳文工程学院，贡图尔，印度
印度蒂鲁帕蒂cr .工程学院EEE系副教授
印度蒂鲁帕蒂cr .工程学院EEE系研究生

摘要

传统的交流/直流电源转换器通过全波整流器连接到线路，吸收非正弦输入电流。这些谐波电流流经电力配电系统中的阻抗，会引起电压畸变、发热、噪声等问题。这些谐波会扭曲本地电压波形，可能会干扰连接到同一电力服务的其他电气设备，并降低线路提供能量的能力。这一事实以及标准或建议的存在迫使在电源中使用功率因数校正。Boost稳压器作为功率因数校正整流器已与我们合作多年。升压整流器的主要问题是输出电压对占空比的变化非常敏感。因此，保持输出电压在调节是非常复杂的。升压稳压器在连续传导模式下工作时，从单位功率因数的公用事业中抽取电力。

关键字

整流器，功率因数传导模式，调制器

我的介绍。

提出了一种用于高功率因数升压整流器电流模式控制的预测开关调制器(PSM)。在这种策略中，开关占空比的控制方式是，在开关周期(Ts)结束时，估计的电感电流将与整流器输入电压成比例。电感电流的估计是可能的，因为输入电压实际上是恒定的开关周期。这使我们能够在开关本身的开时预测后续关期的当前纹波。在NLC控制升压整流器的不连续传导模式(DCM)操作中，输入电流波形失真。与NLC相比，PSM的优点是延长了连续传导模式(CCM)的运行范围。该PSM调制器具有一个标准的带补偿斜坡的程序控制器的结构，是非线性的。应用电流模式控制的标准图解和解析方法，推导了PSM开关升压整流器的稳态稳定条件和低频小信号模型。

2升压整流器的基本操作

升压是一种流行的非隔离功率级拓扑，有时也称为升压功率级。电源设计人员选择升压功率级是因为所需的输出电压总是高于输入电压，极性相同，并且与输入不隔离。升压功率级的输入电流是连续的或非脉动的，因为输入电流与电感电流相同。升压功率级的输出电流是不连续的，或者是脉动的，因为输出二极管只在开关周期的一部分进行传导。输出电容为其余的开关周期提供整个负载电流。dc-dc Boost整流器的功率电路如图1所示。

当开关打开时，二极管反向偏压，从而隔离输出级。输入为感应器提供能量。当开关关闭时，输出级接收来自电感和输入的能量。

连续传导和不连续传导模式的稳态分析解释如下。

A.升压功率级稳态分析

功率级可以在连续或不连续电感电流模式下工作。在连续电感电流模式下，电流在整个开关周期内连续流动，处于稳态工作状态。在不连续电感电流模式下，电感电流在开关周期的一部分为零。它从零开始，达到峰值，并在每个切换周期中返回零。假设输出滤波电容非常大，以确保恒定的输出电压V0(t)≈V0

B. Boost稳态CCM分析

升压变换器在ON和OFF期间的基本功率电路如图2和图3所示。显示了这种传导模式的稳态波形，其中电感电流连续流动[I (t) > 0 l]。

由于在稳态下，感应器电压在一个时间段内的时间积分必须为零，

C.连续和间断传导的边界

图4 (a)。显示了连续传导边缘的波形。根据定义，在这种模式下，i1在关闭区间结束时趋于0。该边界处电感电流的平均值为

图4(b)显示，对于给定的D，在V0恒定的情况下，如果平均负载电流低于IOB(因此，平均电感电流低于ILB)，电流传导将变得不连续。

D.不连续传导模式

在图5中，由于Vg是恒定的，由于P0减小，因此IL较低，导致电流传导不连续。由于图3.4和图5两种模式下IL峰值相同。在图5中，只有V0增大，IL值才有可能降低。

如果我们把感应器电压在一段时间内的积分等于零，

对于g V V 0的不同值，更有用的是获得所需占空比D作为负载的函数。通过使用等式，我们可以确定

从输入电容到输出电容再到负载。如果负载不能吸收这种能量，电容器电压V0将增加，直到建立能量平衡。

E.输出电压纹波

因此，峰-峰电压纹波由

F.升压整流器的控制

功率因数校正的各种方法可分为

(i)无源功率因数校正技术

(ii)有源功率因数校正技术

1.无源功率因数校正技术

该方法在交流市电线路和交直流变换器二极管整流器的输入端口之间插入一个lc滤波器，如图8所示。这种技术简单而坚固，但体积大，重量重，功率因数不能很高。

2.有源功率因数校正技术

功率因数几乎可以达到统一，功率转换器的交直流接口模拟一个纯电阻如图9所示。与无源功率因数校正方法相比，有源功率因数校正技术具有功率因数高、谐波降低、体积小、重量轻等优点。

提出了PWM功率因数校正技术的两种基本控制器，即峰值电流模式控制和平均电流模式控制。

3.峰值电流模式控制:

该技术是针对工作在CCM模式、开关频率恒定的升压变换器而提出的，如图13所示。它具有在CCM模式下工作的升压型配置的所有优点。该技术的问题在于需要对控制系统进行坡度补偿来稳定控制系统。

4.平均电流模式控制

该技术针对工作在CCM模式且开关频率恒定的升压变换器，如图14所示。它具有在CCM模式下工作的升压型配置的所有优点。该技术的缺点是电流控制系统复杂，难以分析和综合。在一个简化电路中，提出了在不感知输入电压的情况下形成正弦变化的平均电流。

然而，当功率开关占空比大于50%时，峰值电流模式控制器和平均电流模式控制器由于存在固有的次谐波振荡和抗干扰性而存在稳定性问题。

5.准稳态方法

图3.6中的线频率。通常远低于开关频率，因此，dc-dc变换器的输入电压可以近似为一个常数在连续的开关周期。准稳态运算的重要性质是所有的量都可以用它们的稳态值近似。

电阻模拟器的控制目标是迫使dc-dc变换器的输入电流与输入电压成正比，从而使输入阻抗具有电阻性。换句话说，就是输入电流的局部平均值

如果输出电容足够大，则Vo是线周期上的常数;因此，如果vm也是线循环中的常数，与vg和模拟电阻成正比

电压vm调节Re以控制输入电流。

3预测开关调制器

高功率因数升压整流器的广义控制目标可以表示为

Re是整流器的模拟电阻，是电感电流的函数。对于不同的控制策略，该函数可以不同。例如，NLC实现了平均电流模式控制，因此对于NLC(3.27)是f(ig)的具体表达式

在所提出的调制器中，开关占空比的控制方式是，在每个开关周期结束时，电感电流与整流输入电压成正比。因此，对于PSM，函数为

图3.16给出了升压整流器的广义控制目标。

电源模块工作原理。

对于升压整流器，开关电流等于开关开时的电感电流。在开关周期Ts中，代替电感电流，通过仅在开关的ON时间内进行积分来平均开关电流很方便，因为在其余时间内开关电流为零。因此，NLC的调制器实现了式(28)给出的控制律。对于LPCM和PSM，可以检测开关电流或电感电流。给出了LPCM和PSM在开关电流方面的控制规律

可以注意到，电感在周期结束时的电流等于在下一个周期开始时的电流

当变换器在CCM中工作时，根据输入电压的斜率，可以预测开关本身开时的关断电流的斜率。那么(33)可以代替(32)用于PSM

Rs为变换器的电流感应电阻，vm为调制器的输入电压。输出电压误差放大回路，得到闭环下操作。在nlc和lpcm中，将占空比项d替换为s t t，将(3.27)和(3.28)的右边表达式转换为合适的载波波形。类似地，预测开关调制器的载波波形I (t) c可以表示为

稳态稳定条件

本节中介绍的稳态稳定性分析本质上是图形化的。为了推导电流型控制dc-dc变换器的稳态稳定条件，目的是用电路参数和变换器的开关频率来量化PSM开关升压整流器的稳态稳定条件。

的标准结构中，稳态载波波形如图18(a)所示，配置为d=t/Ts的函数

由式(3.50)和式(3.51)中，PSM开关升压整流器电路参数的稳态稳定条件可表示为

B.不连续传导模式(DCM)

在DCM中，电感电流在开关周期开始时为零。因此，周期占空比由调制器方程决定

但在DCM中，(3.34)不再有效。而不是

Kcp、Kcn、Ksp和作为Mg的函数如图3.20所示。ksp值仅在发生CCM操作的范围内有效，因为在推导过程中使用了这样的条件。

四、永磁同步电机低频小信号模型

在本节中，我们将开发一个由PSM开关的升压整流器的线性、低频、小信号模型。在一个线路周期中，整流输入电压从0到vgm变化。在稳态条件下，电感电流Ig与整流输入电压成正比，升压电感的伏秒平衡发生在每个开关周期(Ts)。

(26)给出了升压变换器功率级的状态空间平均模型。我们在输入电压有效值的直流工作点使用了该模型

｀

调制器利用电感电流Ig和输出电压V0产生周期占空比

只要升压变换器工作在连续导通模式下，本节所建立的解析模型在任何输入输出和负载条件下都是有效的。

图22为分析得到的控制增益传递函数的Bode图。调制器的直流输入电压Vm=6.54v。它产生的输出电压V0=300v, Vg =110v，负载电阻R=606Ω。

nlc的控制增益传递函数是一阶的，可以有效地用于电压误差放大器的频率响应设计。通常对于功率因数校正电路，闭环带宽选择在5-10 Hz左右。因此，本文所开发的小信号模型，尽管与dc-dc升压变换器相比，在更高的工作频率下是准确的，但就闭环控制器的设计而言，并没有额外的优势。

V.CONCLUSION

带有预测开关调制器的升压调节器适用于高额定功率和扩展范围的连续导通模式操作。

VI.SIMULATION结果

利用MATLAB/Simulink进行仿真工作。带PSM的PFC Boost整流器仿真图如图4.1所示。输入电流波形的仿真结果由表i给出的分量值所示。图4.2采用PSM可得到输入电流波形的THD为6.08%

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