發(fā)布時間：2016-10-23 08:17

第一章  緒論 

1.1   課題研究的背景 
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，開關(guān)電源以其體積小、轉(zhuǎn)換效率高、功率密度大、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、交通、航空航天等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用[1]。開關(guān)電源功率變換器作為開關(guān)電源的核心部分，在實(shí)際運(yùn)行過程中常常會不可避免的出現(xiàn)一些不規(guī)則的運(yùn)行行為，如：電磁干擾、噪聲、振蕩，嚴(yán)重時甚至?xí)䦟?dǎo)致系統(tǒng)崩潰等現(xiàn)象，尤其是在高頻開關(guān)電源中尤為明顯。這種不穩(wěn)定現(xiàn)象給正常的實(shí)際生產(chǎn)帶來了嚴(yán)重的影響。一直以來，人們把上述這種現(xiàn)象歸結(jié)為外界干擾所致，在對開關(guān)變換器進(jìn)行研究、開發(fā)和設(shè)計時，把研究的重點(diǎn)放在怎樣提高設(shè)備抗干擾能力上，最終得到的效果都不是特別理想。 隨著人們對電路的不斷認(rèn)識，最終發(fā)現(xiàn)這種非線性現(xiàn)象在開關(guān)電源中是普遍存在的，它的產(chǎn)生不是外界干擾導(dǎo)致的，而是由于開關(guān)變換器中廣泛的采用了電感電容、開關(guān)管、整流二極管等非線性元件所導(dǎo)致的[2-7]。這種非線性行為的出現(xiàn)給系統(tǒng)穩(wěn)定性帶來了極大的考驗(yàn)，為此，許多學(xué)者對開關(guān)變換器穩(wěn)定性的控制展開了廣泛的研究工作。以往大量的研究都是在 DC-DC 變換器、AC-DC 功率因數(shù)校正器和 DC-AC 逆變器等這些電力電子電路的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，通過理論、數(shù)值模擬和仿真、電路實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)在這些系統(tǒng)中都存在豐富的周期現(xiàn)象、準(zhǔn)周期分岔現(xiàn)象、倍周期分岔現(xiàn)象、邊界碰撞分岔現(xiàn)象、切分岔現(xiàn)象、奇怪吸引子、共存吸引子、間歇性分岔和陣發(fā)混沌等現(xiàn)象  [8-17]，這種規(guī)律的現(xiàn)象拉開了人們對開關(guān)變換器不穩(wěn)定現(xiàn)象控制研究的序幕。 為了消除開關(guān)變換器中的非線性不穩(wěn)定現(xiàn)象，實(shí)現(xiàn)電路的高效穩(wěn)定控制，人們采用了許多手段，也總結(jié)了許多控制方法及其理論，其中峰值電流控制法是最為典型的控制策略，這種控制方法具有暫態(tài)閉環(huán)響應(yīng)快，電路敏感度高，能夠快速限制電流的優(yōu)點(diǎn)。峰值電流控制型 PFC  Boost 變換器具有電感電流連續(xù)、輸出功率大、驅(qū)動電路設(shè)計簡單等優(yōu)點(diǎn)，在目前也得到了較為廣泛的使用。然而又有研究發(fā)現(xiàn)，在 PFC  Boost 變換器中當(dāng)輸入電壓較低時，系統(tǒng)會發(fā)生次諧波振蕩以及混沌等快時標(biāo)不穩(wěn)定現(xiàn)象[18-20]，而且這種現(xiàn)象不能通過反饋環(huán)的設(shè)計來消除，需要在控制回路中引入一定的斜坡補(bǔ)償才能實(shí)現(xiàn)電路的穩(wěn)定控制，從而消除系統(tǒng)不穩(wěn)定現(xiàn)象。目前這種補(bǔ)償技術(shù)的研究已經(jīng)取得了一定的成果[21-29]，但是在實(shí)際生產(chǎn)中，該理論方法目前只是在中小型功率開關(guān)電源中得到了很好的驗(yàn)證，因此進(jìn)一步研究開關(guān)電源的控制策略，將理論與實(shí)驗(yàn)成果應(yīng)用到大功率開關(guān)電源中，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的大規(guī)模集成，具有很高的實(shí)際意義以及工程使用價值。 
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1.2   課題的目的與意義 
以往對于 Boost 變換器不穩(wěn)定行為的研究大都是在 DC-DC Boost 變換器的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，是通過改變輸入電壓大小，調(diào)節(jié)電路占空比的方法來控制輸出電壓。這是一種靜態(tài)分析法，它忽略了輸入電壓的時變性，沒有將其擴(kuò)展到整個工頻周期上進(jìn)行研究，因此不能合理的說明電路不穩(wěn)定現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理。許多學(xué)者在對 PFC  Boost 變換器進(jìn)行研究時，通過借鑒 DC-DC Boost 變換器的研究方法，將 AC-DC Boost 變換器的每一個瞬時時刻視為一個 DC-DC Boost 變換器的過程來分析，，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在輸入電壓較低時電感電流會呈現(xiàn)出快時標(biāo)不穩(wěn)定現(xiàn)象，輸入電流也會隨之出現(xiàn)嚴(yán)重失真現(xiàn)象。 傳統(tǒng)的固定斜坡補(bǔ)償方法能夠有效地抑制電路中快時標(biāo)不穩(wěn)定行為，但是這種補(bǔ)償方式在輸入交流電壓過零處出現(xiàn)過補(bǔ)償，從而導(dǎo)致了輸入電流出現(xiàn)較長的零電流死區(qū)問題，使得輸入電流進(jìn)一步偏離標(biāo)準(zhǔn)的正弦曲線，總諧波失真率更加嚴(yán)重，電路功率因數(shù)進(jìn)一步降低，不能滿足單位功率因數(shù)校正的目的。為了確保變換器全工頻周期內(nèi)的一致穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的正弦輸入電流，以 Boost 變換器參數(shù)共振補(bǔ)償思想為基礎(chǔ)，充分考慮了輸入電壓的時變性，對整個工頻周期內(nèi)的鎮(zhèn)定能力進(jìn)行分析，提出了一種全局優(yōu)化斜坡補(bǔ)償思想，并建立了精準(zhǔn)的參考電流補(bǔ)償數(shù)學(xué)模型[30-33]，并通過仿真分析以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果有力地證明了理論思想的正確性與可行性，也為大功率、高輸入集成電源中 PFC 的研究與推廣提供了理論依據(jù)。 
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第二章   PFC Boost 變換器的理論基礎(chǔ) 

開關(guān)電源根據(jù)結(jié)構(gòu)和基本功能的不同大致可以分為 Buck(降壓電路)、Boost（升壓電路）、Cuk（升降壓電路）、Sepic 和 Zeta 幾種拓?fù)洌渲星皟煞N最為常見。本文主要以PFC Boost 電路為研究對象，分析其工作原理及控制方法，下面對此進(jìn)行詳細(xì)介紹。 

2.1   Boost 電路的工作原理 

Boost 電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作波形如圖 2-1 所示，主要元件有電感、整流二極管、開關(guān)管以及輸出穩(wěn)壓電容。假設(shè)所有元件都是理想狀態(tài)，開關(guān)開通時壓降為零，關(guān)斷時電流為零；電感 值很大，沒有飽和，輸出電容 C 值很大，輸出紋波忽略不計，可認(rèn)為輸出電壓  恒定。在上述假設(shè)前提下，我們來分析一下 Boost 電路是如何工作的。 首先，當(dāng)開關(guān)管開通時，電源  向電感充電，此時電感上電壓為電源電壓，當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，電感開始放電，輸入電壓和電感共同向負(fù)載 R 提供能量，此時電感上電壓，在整個開關(guān)過程中電感上電壓如圖 2-1(b)所示。 

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2.2   功率因數(shù)和諧波
在開關(guān)電源中，由于功率開關(guān)器件工作在高頻 ON/OFF 狀態(tài)，電感電流不是恒定的，而是一種高頻脈動狀態(tài)，這樣的脈動會形成高壓紋波以及各次諧波，甚至?xí)䦟?dǎo)致嚴(yán)重的傳導(dǎo)與輻射電磁干擾（EMI）問題，同時，由于電路中各種非線性元件的存在，從而導(dǎo)致輸入電流和電壓出現(xiàn)相位偏差。在電工學(xué)中，這種正弦電壓和電流的相位偏差? 就是衡量電路功率因數(shù)的一個非常重要指標(biāo)，線性電路的功率因數(shù)習(xí)慣用 cos 表示。在 AC-DC 變換器中工頻交流信號通過整流橋后不再是單一頻率的電流，而變成直流分量和一系列不同頻率成分的諧波，其中各次諧波會沿著輸電線路進(jìn)行傳導(dǎo)輻射，產(chǎn)生射頻干擾，使得前端電流發(fā)生畸變，嚴(yán)重影響到電路的功率因數(shù)。 目前提高 AC-DC 變換電路功率因數(shù)，減小諧波的主要方法就是采用無源濾波器或有源濾波器[44]。無源濾波器的原理是在濾波電容和整流橋之間加入濾波電感或者諧振濾波器，從而達(dá)到減小諧振的目的，如圖 2-2 所示。這種方法具有效率高、成本低的優(yōu)點(diǎn)，但由于電容器和濾波電感的體積較大，不利于現(xiàn)代電子設(shè)備的高度集成化，使得無源濾波器的廣泛應(yīng)用受到了限制。有源功率因數(shù)校正器是根據(jù)實(shí)際所需在整流器和負(fù)載之間接入一個開關(guān)變換器，如 Buck、Boost、Buck-Boost、Zeta 等，通過適當(dāng)?shù)目刂品绞綇?qiáng)迫輸入電流跟蹤輸入電壓變化，保證輸入電流和輸入電壓同相位，從而達(dá)到提高功率因數(shù)的目的，如圖 2-3 所示。有源濾波器具有工作電壓和工作范圍寬，體積小，重量輕，功率因數(shù)高，功率密度大，輸入電流諧波低等優(yōu)點(diǎn)，但其電路復(fù)雜，成本高，電磁干擾強(qiáng)。 
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第三章   PFC Boost 變換器不穩(wěn)定現(xiàn)象及其控制方法 ........ 14 
3.1   峰值電流控制型 PFC Boost 的工作原理 ........ 14 
3.2   連續(xù)峰值電流控制 Boost 變換器的數(shù)學(xué)模型及其穩(wěn)定性判斷 ....... 15 
3.3   快時標(biāo)不穩(wěn)定現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理 ......... 17 
3.4   固定斜坡補(bǔ)償 ......... 18 
3.5   全局優(yōu)化補(bǔ)償 ......... 20 
3.6   小結(jié) .... 22 
第四章   PFC Boost 電路主要參數(shù)設(shè)計 .... 24 
4.1   實(shí)驗(yàn)電路參數(shù)設(shè)計 ........ 24 
4.1.1   芯片的選擇與簡介 ..... 24 
4.1.2   實(shí)驗(yàn)電路圖 .......... 26 
4.2   主電路參數(shù)設(shè)計 ..... 26 
4.3   控制回路參數(shù)設(shè)計 ........ 30 
4.4   小結(jié) .... 33 
第五章   PFC Boost 電路的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 ........ 34
5.1   Matlab/Simulink 簡介.... 34 
5.2   PFC Boost 電路的仿真結(jié)果分析 ...... 34 
5.3   PFC Boost 電路實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 .......... 36 
5.4   小結(jié) .... 41 

第五章   PFC Boost 電路的仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 

5.1   Matlab/Simulink 簡介 
Matlab/Simulink 是電力電子開關(guān)電源行業(yè)一個非常重要的工具，它主要應(yīng)用于系統(tǒng)的建模、仿真和分析。這個工具為用戶提供了一種更快捷、直接明了的方式，用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果，也可以通過修改仿真參數(shù)對系統(tǒng)做出適當(dāng)?shù)男拚�，所得到的仿真參�?shù)可以有效地指導(dǎo)實(shí)際電路的設(shè)計，并且有很高的可靠性，保證了設(shè)計的高效果。Simulink 既支持連續(xù)與離散系統(tǒng)，也支持連續(xù)離散混合系統(tǒng)，不僅支持線性與非線性系統(tǒng)，而且支持具有多種采樣頻率（Multirate）的系統(tǒng)。 Matlab/Simulinkd 工具操作非常簡單，只需要建立一個后綴名為“.m”的文件，將模塊庫中提供的各種標(biāo)準(zhǔn)模塊復(fù)制到 Simulink 的模型窗口“untitled”中，再用 Simulink 的連線方法連接成一個完整的 Simulink 動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，連接方式遵循工作原理，與實(shí)際控制系統(tǒng)相對應(yīng)，然后可以根據(jù)實(shí)際所需修改仿真參數(shù)，進(jìn)行仿真，采用 Scope 示波器模塊與其他的畫面模塊，可以在仿真進(jìn)行的同時，就觀看到仿真結(jié)果[51-53]。必須再次強(qiáng)調(diào)，Simulink 的模型窗口“untitled”里建立的是系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，保存后的文件后綴為“.mdl”，一般存放在 MATLAB\work 子目錄里。 Simulink 內(nèi)置了各種分析工具，如：多種仿真算法、系統(tǒng)線性化、尋找平衡點(diǎn)等，都是非常先進(jìn)而實(shí)用的。Simulink 內(nèi)置的主要功能模塊有：（1）通用模塊快（Commonly Used Blocks）；（2）連續(xù)系統(tǒng)模塊組（Continuous）；（3）斷續(xù)模塊組（Discontinuities）；（4）離散模塊組（Discrete）；（5）邏輯與位操作模塊組（Logic and Bit Operations）;（6）表格查詢模塊組（Lookup Tables）；（7）數(shù)字運(yùn)算模塊（Math Operations）；（8）模型檢測模塊組（Model Verification）；（9）模型的充分利用模塊組（Model-Wide Utilities）；（10）端口與子系統(tǒng)模塊組（Ports and Subsystems）；（11）信號屬性模塊組（Signal Attributes）；（12）信號傳輸模塊選擇組（Signal Routing）；（13）輸出模塊組（Sinks）；（14）信號源模塊組（Sources）；（15）用戶自定義函數(shù)模塊組（User-Defined Functions）；（16）附加離散模塊組（Additional Discrete）；（17）附加增減運(yùn)算模塊組（Additional Math: Increment/ Decrement）。 
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總結(jié)

傳統(tǒng)的對于開關(guān)電源的研究主要是在 DC-DC 變換器的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，忽略了輸入交流的時變性。本文以峰值電流控制型 PFC  Boost 電路為例，采用參數(shù)共振原理，深入分析了在輸入電壓正弦變化時 Boost 變換器中出現(xiàn)的快時標(biāo)分岔和混沌現(xiàn)象的原因。針對傳統(tǒng)固定斜坡補(bǔ)償方式的不足之處，考慮到每個頻閃周期內(nèi)的一致穩(wěn)定提出了一種全局最優(yōu)化補(bǔ)償思想，實(shí)現(xiàn)了電路單位功率因數(shù)的目標(biāo)。最后推導(dǎo)了補(bǔ)償電路參考電流數(shù)學(xué)模型，對原有的補(bǔ)償電路進(jìn)行了改進(jìn)，保證了電路性能。在電路的研究及其設(shè)計過程中也取得了一定的理論和實(shí)際成果： 
1）在研究 AC-DC  Boost 變換器快時標(biāo)不穩(wěn)定現(xiàn)象產(chǎn)生機(jī)制時，發(fā)現(xiàn)在每個輸入工頻周期內(nèi)，輸入電壓iV 和輸出電壓oV 滿足oi>VV 50. 的時段，電路穩(wěn)定，受到外界微擾時，電路通過自身調(diào)整能夠在有限個開關(guān)周期內(nèi)恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)；在oi<vv 50.="" 時段，電路本身不穩(wěn)定，需要通過外力控制才能達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。  2）傳統(tǒng)固定斜坡補(bǔ)償能夠有效地消除電路中快時標(biāo)分岔和混沌現(xiàn)象，但是由于在過零處過補(bǔ)償?shù)脑蚴沟幂斎腚娏鞒霈F(xiàn)死區(qū)，進(jìn)一步增大了總諧波失真率，降低了電路的功率因數(shù)，沒有達(dá)到單位功率因數(shù)校正的目的，因此固定斜坡補(bǔ)償方法在抑制電路次諧波振蕩中是有一定缺陷的。 
3）全局優(yōu)化斜坡補(bǔ)償技術(shù)能夠?qū)崟r的調(diào)整補(bǔ)償力度，在一定程度上增大了輸入電流，提高了輸入功率，有效地解決了固定補(bǔ)償所帶來的死區(qū)問題，使得補(bǔ)償后的輸入電流呈現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)正弦曲線，而且輸入電流和輸入電壓同相位，實(shí)現(xiàn)了電路單位功率因數(shù)的目的。在消除電路快時標(biāo)不穩(wěn)定現(xiàn)象的同時，也保證了整個工頻周期內(nèi)的一致穩(wěn)定。因此全局優(yōu)化斜坡補(bǔ)償是一種比較理想的補(bǔ)償方式。 
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參考文獻(xiàn)(略)

本文編號：150039