文獻標識碼: A
文章編號: 0258-7998(2014)11-0060-04
0 引言
由于電力電子產(chǎn)品的廣泛應(yīng)用,產(chǎn)生了高次諧波和無功功率,,嚴重影響電網(wǎng)和其他設(shè)備的正常工作,,這就需要PFC技術(shù)的應(yīng)用。在中大功率場合中,Boost PFC工作在電感/電流連續(xù)(CCM)時,,電路輸入/輸出電流紋波小,,流經(jīng)開關(guān)管的電流有效值小,但在硬開關(guān)狀態(tài)下,,開關(guān)損耗高,,二極管也會產(chǎn)生很高的恢復(fù)損耗。Boost PFC工作在電感/電流斷續(xù)模式(DCM)時,,二極管是零電流開通,,減小了開關(guān)損耗,電感量小,,但有較高的電感/電流峰值,,在輸入較高電壓時,功率因數(shù)較低,。Boost PFC工作在電感電流零界連續(xù)模式(CRM)時,,具有零電流開關(guān)的特點,降低了電路損耗,,且電感量比DCM小,,但電路頻率不固定,在輸出負載較小時開關(guān)頻率變化范圍大,,不利于EMI濾波器的設(shè)計,,多應(yīng)用于小功率的Boost PFC電路。
交錯并聯(lián)Boost PFC是指不少于一個變換器基本單元并聯(lián)組成的電路, PWM控制每個變換器的開關(guān)管交錯導(dǎo)通 ,電流呈現(xiàn)交錯狀態(tài)流過每個開關(guān)管,。參考文獻[1-2]具體分析了耦合電感對交錯并聯(lián)Boost PFC電源輸入電流,、輸出電流、電感電流的影響,;參考文獻[3]給出了加入均流電感對兩路并聯(lián)電感實現(xiàn)均流的方案,;參考文獻[4]對兩路交錯并聯(lián)DC/DC變換器實現(xiàn)軟開關(guān)的控制策略進行研究;參考文獻[5]提出了一種基于拓撲組合的高增益Boost 變換器,;參考文獻[6]介紹了耦合電感的基本原理,,分析了耦合電感對變換器開關(guān)頻率、輸入電流紋波的影響,。本文提出了數(shù)字交錯并聯(lián)Boost PFC新型電源,,對硬件和軟件給出了具體設(shè)計方法,并進行實驗驗證,。
1 硬件電路的設(shè)計
1.1 交錯并聯(lián)Boost PFC硬件原理
圖1是新型電源系統(tǒng)框圖,。新型電源主要包括主功率電路和DSP控制電路,可以看作是一個典型的自動控制系統(tǒng),。交流電輸入電路后,,通過EMI濾波器抑制外來電磁干擾,,經(jīng)過整流電路輸入主功率電路。主功率電路是系統(tǒng)的控制對象,,DSP控制電路是系統(tǒng)的主控制器,。電壓檢測、電流檢測,、電壓反饋是DSP控制電路的輸入,,兩路脈沖寬度調(diào)制(PWM)是DSP輸出,相位相差180°,,占空比小于0.5,,通過驅(qū)動模塊控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止,使得兩相電感/電流相位交錯180°,,電感/電流紋波相互疊加抵消以后,整個PFC電路的輸入電流紋波得以大大減小,,有效減小電感和EMI濾波器的尺寸。圖2是交錯并聯(lián)Boost PFC的電流波形圖,。整個系統(tǒng)采用雙環(huán)控制結(jié)構(gòu),,電壓環(huán)對輸出電壓進行反饋和調(diào)節(jié),實現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定;電流環(huán)控制輸入電流跟隨輸入電壓變化,實現(xiàn)PFC的矯正,,理論上能夠使功率因數(shù)達到1,。
1.2 主電路參數(shù)設(shè)計
1.2.1 開關(guān)頻率的選擇
功率因數(shù)校正電路中,為了減小新型電源的體積和避免電路中的損耗過高,,開關(guān)管的開關(guān)頻率不能偏低,,也不能過高。本設(shè)計開關(guān)管的開關(guān)頻率fs為50 kHz,,兩路電感電流交錯以后,,實際輸入頻率達到100 kHz,這一頻率使得整個系統(tǒng)工作在最佳狀態(tài),。
1.2.2 耦合電感值的計算
兩路電感L1,、L2采用正向耦合,在正常工作狀態(tài)下,,L1,、L2工作在DCM下,總的輸入電流工作在CCM下,。由于兩路電感存在互感,解耦后的等效電路如圖3所示,。
在輸入最低電壓峰值和PWM占空比小于0.5的情況下,,需要滿足電感電流紋波要求。最小輸入峰值電壓為:
根據(jù)公式[7]:
得到:
其中Uo為輸出電壓有效值(400 V),,Uin為輸入電壓有效值,,D為PWM占空比,,且D<0.5,則電感值為:
取L1,、L2的電感值為200 H,,輸出功率為1 200 W。在輸出額定功率恒定的情況下,,輸入最大電流峰值為:
設(shè)計中脈動電流為峰值電流的20%,,則脈動電流:
電感上的峰值電流等于輸入最大峰值電流加上脈動電流的一半:
1.2.3 輸出電容的設(shè)計
當輸入電源切斷后,保持時間是指輸出電壓跌落到正常電壓的90%,,設(shè)計保持時間:?駐t=1.5 ms,,則輸出電容:
設(shè)輸入電壓為:
輸入電流為:
效率為:?濁=95%,則輸出電流為:
Io在系統(tǒng)滿負載時輸出的電流為3 A,。輸出電流io(t)的交流分量流經(jīng)輸出電容產(chǎn)生的電壓紋波為:
設(shè)計輸出紋波為輸出電壓的5%,,則輸出電容為:
因此,輸出電容用一個1 000 F/450 V,、一個220 F/450 V和2個10 F/450 V并聯(lián),,輸出電容實際值為1 240 F。
2 控制系統(tǒng)的分析與設(shè)計
為了實現(xiàn)系統(tǒng)恒功率的控制,,取整流后的輸入電壓平均值為V,,在模擬控制中,V由二階低通濾波得到,,含有二次紋波,,會影響功率因數(shù)的提高。在改進型算法中,,用數(shù)字離散方法計算V:
式中,,N表示一個周期內(nèi)的采樣次數(shù),取2 000次,;V(i)表示第i次采樣值,,避免了引入二次諧波,提高了功率因數(shù),。對于傳統(tǒng)PFC電路的基準電流容易受到輸入電壓干擾的缺點,,提出了采用電壓環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)數(shù)字PI控制算法。在此算法中,,輸入電流正弦波形由DSP內(nèi)部軟件完成,,當輸入電壓受到干擾發(fā)生畸變時,能夠保證輸出為高度正弦的電流波形,,從而使系統(tǒng)保持很高的功率因數(shù),,算法結(jié)構(gòu)如圖4所示。
基準電壓Vref與輸出電壓采樣Vinput比較得到電壓誤差信號Verr,,Verr經(jīng)過電壓調(diào)節(jié)器輸出信號A,。信號A,、數(shù)字正弦表取值B、輸入電壓平均值C,、比例系數(shù)Km作為電流基準算法的4個輸入,,通過算法得到輸入電流基準Iref。Iref與輸入電流采樣值Iinput比較之后得到電流誤差信號Ierr,,Ierr經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器計算后,,輸出開關(guān)管的PWM驅(qū)動信號。由圖4可知,,電壓環(huán)的傳遞函數(shù):
其中,,Vo是輸出電壓,令:
式中,,Tv是采樣周期,,將式(17)、式(18)代入式(16)進行z變換,,得:
再進行z逆變換,,得電壓環(huán)控制算法:
同理可得電流環(huán)傳遞函數(shù):
式中,Io是開關(guān)管輸出電流,,令:
采用雙線性變換:
式中,,Ti是采樣周期,將式(23),、式(24)代入式(22)進行z變換,,得:
再進行z逆變換,得電流環(huán)控制算法:
DSP數(shù)字控制程序由主程序和中斷服務(wù)子程序兩部分組成,。主程序完成各功能模塊的初始化,,中斷程序包括電壓環(huán)計算、電流基準算法,、電流環(huán)計算,。程序流程圖如圖5所示。
3 實驗結(jié)果
本文基于DSP數(shù)字控制平臺,,根據(jù)硬件和軟件設(shè)計,,制作了一臺1.2 kW的數(shù)字PFC電源,并對創(chuàng)新型算法進行實驗驗證,。實驗參數(shù):輸入電壓為220 V,,開關(guān)頻率為50 kHz,耦合電感為200 H,,輸出電容為1 240 ?滋F,,輸出電壓為400 V。圖6(a)是輸出滿載1.2 kW的實驗結(jié)果,,可見輸入電流波形跟隨輸入電壓波形,,功率因素為0.993,效率為95.715%,,THD為2.558%,。圖6(b)是輸出負載突然變化的情況下,輸入電流大小隨輸出負載變化而變化的波形圖,,可見輸入電流波形跟隨輸入電壓波形,,沒有發(fā)生畸變,輸出電壓穩(wěn)定,,幾乎沒有抖動,,功率因數(shù)為0.996,效率為95.506%,,THD為2.304%,。因此證明了新型電源和改進型算法的可行性和正確性,系統(tǒng)穩(wěn)定性好,,達到實驗要求,。
4 結(jié)論
本文針對并聯(lián)交錯Boost PFC新型電源,對耦合電感和輸出電容進行了詳細的設(shè)計,,提出了基于DSP的改進型雙閉環(huán)控制算法,,外環(huán)為電壓環(huán),內(nèi)環(huán)為電流環(huán),,基于PI控制算法來實現(xiàn)內(nèi)部運算,,達到控制效果。最后設(shè)計并制作了1.2 kW的數(shù)字PFC電源,。大量的實驗結(jié)果表明,,新型電源有效提高了功率因數(shù)和效率,降低了THD,,很大程度上減少了電路對電網(wǎng)的諧波污染,,具有很好的穩(wěn)定性和動態(tài)性,滿足工業(yè)上對負載突變的嚴格要求,,擁有很好的市場應(yīng)用前景,。
參考文獻
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