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1、无桥PFC拓扑结构及控制策略研究 博士学位论文无桥 PFC 拓扑结构及控制策略研究 RESEARCH ON TOPOLOGY AND CONTROL STRATEGY OF BRIDGELESS PFC刘桂花 2009年6月 国内图书分类号:TM44 学校代码:10213 国际图书分类号:621.314 密级:公开 工学博士学位论文无桥PFC拓扑结构及控制策略研究 博士研究生:刘桂花 导 师:王 卫 教授 申请学位:工学博士 学科:电力电子与电力传动 所 在 单 位:电气工程及自动化学院 答 辩 日 期:2009年6月 授予学位单位:哈尔滨工业大学Classified Index: TM44
2、U.D.C.: 621.314Dissertation for the Doctoral Degree in EngineeringRESEARCH ON TOPOLOGY AND CONTROL STRATEGY OF BRIDGELESS PFCCandidate: Liu Guihua Supervisor: Prof. Wang Wei Academic Degree Applied for: Doctor of Engineering Speciality: Power Electronics and Electric Drive School of Electric Enginee
3、ring & Affiliation: Automation Date of Defence: June, 2009 Degree-Conferring-Institution: Harbin Institute of Technology摘 要 摘 要 随着能源危机和全球环境的持续恶化,节能减排和保护环境成为维持经济和社会可持续发展的一件大事。许多国家和国际组织纷纷推出各项节能环保标准和规范对现有电源系统提出种种要求,其中欧洲 IEC555 管理条例规定,功率超过 75W 的产品需要增加功率因数校正(PFC)功能。在用电设备中采用 PFC技术不仅可以提高功率因数、降低对电网的谐波污染、提高电
4、源利用率,同时可以使产品满足各种标准要求。 在目前采用 PFC 技术的各种电源和用电设备中,多数采用整流桥首先将交流电转化成直流电,再经过 PFC 环节实现功率因数校正功能。随着功率等级的提高,整流桥的损耗在整个功率级损耗中占很大比重,因此采用不带整流桥的无桥 PFC 拓扑结构对提高系统的整体效率具有重要作用。无桥 PFC 作为一种高效率的拓扑结构,引起人们的广泛关注,本文将从拓扑结构和控制策略两个主要方面对其进行研究,并将新型无桥 PFC 拓扑结构和控制方法应用到变频空调系统中加以验证和分析。 无桥 PFC 昀先出现在 Boost 电路中,本文首先分析了目前出现的无桥 Boost PFC 拓
5、扑结构,在此基础上设计了一种电流采样简单、电磁干扰噪声小、通态损耗低的改进型无桥 Boost PFC,并采用平均电流和单周期两种控制策略,对改进型电路结构进行了对比分析和实验验证。将无桥设计思路进一步推广到具有升降压功能的 PFC 变换器中,提出一种新颖的级联式无桥 Buck-Boost PFC 拓扑结构,与传统单开关 Buck-Boost PFC 相比,这种新型拓扑结构能解决开关应力过高的问题,与传统级联式 Buck-Boost PFC 相比,无桥结构能降低通态损耗提高效率。 与模拟控制相比,数字控制具有电路结构简单、元器件少、对外部干扰不敏感、适应性强、容易实现系统升级等优点。本文对无桥
6、Boost PFC 功率级传递函数和频域设计方法进行研究,建立无桥 Boost PFC 的通用电路模型,为电路理论分析和参数设计提供依据。同时对控制过程中的占空比约束关系进行推导和分析,结合运动控制芯片 IRMCF343,提出一种运算量小、适用于低成本数字控制芯片的占空比预测算法,该算法主要用来改善电流环节的控制性能,与目前常用的平均电流控制相比它运算量小,同时具有更快的输入电压和电流跟踪能力。 在 PFC 控制策略中,通常需要电压环来稳定输出电压,该环节中的低通滤- I - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 波器虽然能衰减输出电压纹波,却降低了系统对负载变化的动态响应能力。在负载经常快速变化的
7、应用场合(如变频空调压缩机负载),电压环带宽不够会导致输出直流母线电压长时间大幅度波动,这不仅使系统控制性能下降,同时对负载也是一种危害。本文结合 IRMCF343,在占空比预测算法的基础上对电压环进行改善,提出一种快速动态响应数字 PFC 算法,该算法无需增加外围硬件电路,只需在原来数字算法基础上增加一个补偿环节就能实现低输入电流畸变和快速动态响应的统一。 无桥 PFC 作为一种高效率的拓扑结构,虽然引起包括各空调厂家的广泛关注,但到目前为止市场上还没有任何一款关于无桥 PFC 的空调产品,也没有针对无桥 PFC 和传统 PFC 在空调中的系统对比分析。本文设计了基于传统 PFC 和无桥 P
8、FC 的空调外机实验平台,同时利用所提出的新型算法,从功率因数、效率、谐波电流、电磁干扰和成本 5 个方面对两种 PFC 拓扑结构在变频空调中的应用情况进行系统对比分析。关键词:无桥 PFC;拓扑结构;控制策略;效率;变频空调- II - Abstract Abstract With energy crisis and continued deterioration of global environment, energy-saving, pollutant reduction and environmental protection have become major events to
9、maintain sustainable economic and social development. Many countries and international organizations have promulgated various energy-saving and environmental protection standards and norms for existing power system, and the Europe IEC555 regulation demands that more than 75W products need to add pow
10、er factor correction PFC function. Using PFC technology in electric equipment can increase power factor, reduce harmonic pollution on grid, improve power utilization and make products to satisfy international and national standardsIn power supply and electrical equipment, rectifier bridge is commonl
11、y used to exchange AC into DC, and then PFC stage realizes power factor correction functionWith power levels improving, the loss of bridge rectifier occupies a large proportion in the whole power stage loss, so using bridgeless PFC topology has an important meaning to improve the overall system effi
12、ciency. As a high efficiency PFC topology, bridgeless PFC attracted widespread attention. This dissertation will research on bridgeless PFC topology and control strategy, and the proposed novel bridgeless PFC topology and control strategy will be used in variable frequency air-conditioning system to
13、 verify the effectBridgeless PFC is firstly proposed in Boost circuit. Based on analyzing arisen bridgeless Boost PFC topologies, this dissertation designs an improved bridgeless Boost PFC with simple current sensing circuit, low conduction loss and small electromagnetic interference noise. The prop
14、osed PFC is made comparison analysis and experimental validation with average current control and one-cycle control strategies. According to the same bridgeless design concept, a novel cascade bridgeless Buck-Boost PFC topology is proposed. Comparison with conventional cascaded Buck-Boost PFC, the n
15、ovel topology can improve efficiency and reduce lossAt the same time, it can solve the problem of high switching stress comparing with conventional single-switch Buck-Boost PFCComparison with analog control, digital control has advantages such as simple circuit, less components, none sensitive to ex
16、ternal interference, good adaptability, easy system upgrade and etc. This dissertation studies the power stage transfer function and frequency domain design method of bridgeless Boost PFC, and deduces the generic models for circuit theory analysis and parameter design. At the same time, duty cycle c
17、onstraint relationship is deduced and analyzed. Combination with motion - III - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 control chip IRMCF343, a duty cycle prediction algorithm with low cost and small computation is proposed. The proposed algorithm is mainly used to improve the control performance of current loop, and it h
18、as less computation and more fast tracing speed of input voltage and current comparing with average current controlIn PFC control strategies, voltage loop with low-pass filter is commonly used to stabilize output voltage. Though low-pass filter can attenuate output voltage harmonics, it reduces syst
19、em dynamic response capability during load changes. In rapidly changing load application such as compressor load in variable-frequency air- conditioning, narrow voltage loop bandwidth will lead to large fluctuations in output voltage with a long time, and it decreases the system performance and caus
20、es load damage. With control chip IRMCF343, this dissertation proposes a novel fast dynamic response algorithm based on duty cycle prediction algorithm. Without adding auxiliary circuit, the proposed algorithm can realize functions of low intput current distortion and fast dynamic responseAs a high
21、efficiency topology, bridgeless PFC causes a wide attention including air-conditioning manufacturers. But so far, air-conditioning product with bridgeless PFC technology hasnt appeared in the market. And there is no system comparative analysis for bridgeless PFC and conventional PFC in air-condition
22、ing system. This dissertation designs two experimental platforms of outdoor units based on conventional PFC and bridgeless PFC. With the proposed novel algorithms, power factor, efficiency, harmonic currents, electromagnetic interference and cost are made comparative analysis for the two PFC topolog
23、ies in variable frequency air-conditioning system Keywords :Bridgeless PFC, Topology, control strategy, Efficiency, Variable frequency air-conditioning - IV - 目录 目 录 摘 要 I Abstract III第 1 章 绪论. 1 1.1 课题背景及研究意义. 1 1.2 PFC 技术研究现状2 1.3 无桥 PFC 技术研究现状综述 4 1.3.1 无桥 PFC 拓扑结构的研究 4 1.3.2 无桥 PFC 控制策略的研究 8 1.3
24、.3 无桥 PFC 电磁干扰的研究 9 1.3.4 无桥 PFC 软开关技术的研究 12 1.4 无桥 PFC 的应用领域和发展方向14 1.4.1 无桥 PFC 在空调系统中的应用14 1.4.2 无桥 PFC 在电子镇流器中的应用. 15 1.4.3 无桥 PFC 的研究热点和发展方向. 16 1.5 本文主要研究内容 17 第 2 章 无桥 PFC 拓扑结构的研究18 2.1 引言18 2.2 基本型无桥 Boost PFC 分析18 2.3 改进型无桥 Boost PFC21 2.3.1 改进型无桥 Boost PFC 的电路结构21 2.3.2 基于平均电流控制的改进型无桥 Boos
25、t PFC23 2.3.3 基于单周期控制的改进型无桥 Boost PFC 26 2.3.4 平均电流和单周期控制的对比分析. 27 2.3.5 实验结果30 2.4 级联式 Buck-Boost PFC 分析. 32 2.5 新型无桥 Buck-Boost PFC 33 2.5.1 新型无桥 Buck-Boost PFC 的工作原理34 2.5.2 无桥 Buck-Boost PFC 的器件应力分析36 2.5.3 无桥 Buck-Boost PFC 的开关损耗分析38 - V - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 2.5.4 无桥 Buck-Boost PFC 的电磁干扰分析39 2.5.5
26、 电路设计和实验结果. 42 2.6 本章小结 45 第 3 章 占空比预测无桥数字 PFC 算法研究. 46 3.1 引言46 3.2 无桥 Boost PFC 电路模型分析46 3.2.1 电路大信号模型 46 3.2.2 电路小信号分析 47 3.2.3 数字 PFC 的设计52 3.3 基于占空比预测控制的数字 PFC 算法 54 3.3.1 占空比预测算法的推导 54 3.3.2 占空比预测和平均电流控制的对比分析57 3.4 占空比预测控制算法的设计59 3.4.1 图形化编程方式 59 3.4.2 占空比预测控制的软件设计. 60 3.5 实验结果 63 3.6 本章小结 65
27、第 4 章 快速动态响应数字 PFC 算法研究67 4.1 引言67 4.2 电压环对 PFC 系统性能影响分析67 4.2.1 电压环带宽设计原则. 67 4.2.2 电压环带宽对输入输出谐波的影响. 68 4.3 快速动态响应数字 PFC 算法. 69 4.3.1 输入电流畸变的影响因素分析 70 4.3.2 快速动态响应算法的设计72 4.4 实验结果 75 4.5 本章小结 78 第 5 章 变频空调 PFC 系统设计 79 5.1 引言79 5.2 空调 PFC 主电路设计. 79 5.2.1 传统和无桥 PFC 主电路结构 79 5.2.2 主电路参数设计 81 5.3 EMI 分
28、析和滤波器设计. 82 - VI - 目录 5.3.1 电路中的 EMI 分析 82 5.3.2 交流和直流滤波器的设计83 5.4 控制和保护电路的设计. 85 5.5 实验结果和对比分析86 5.6 本章小结 91 结 论 92 参考文献94 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果102 哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明103 哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书103 致 谢.104 个人简历.105- VII - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 Contents Abstract in Chinese I Abstract in English IIIChapter 1 Introd
29、uction. 1 1.1 Study Background and Significance. 1 1.2 Research Status of PFC Technolgogy2 1.3 Overview of Bridgeless PFC Technolgogy 4 1.3.1 Research on Bridgeless PFC Topology4 1.3.2 Study Control Strategy of Bridgeless PFC 8 1.3.3 Research on EMI of Bridgeless PFC 9 1.3.4 Study Soft-Switching of
30、Bridgeless PFC 12 1.4 Application Areas and Development Direction of Bridgeless PFC. 14 1.4.1 Application of Bridgeless PFC in Air Conditioning System. 14 1.4.2 Application of Bridgeless PFC in Electronic Ballast 15 1.4.3 Research Content and Development Direction of Bridgeless PFC 16 1.5 Main Resea
31、rch Contents of This Dissertation 17 Chapter 2 Research on Bridgeless PFC Topology18 2.1 Introduction 18 2.2 Analysis of Basic Bridgeless Boost PFC. 18 2.3 Improved Bridgeless Boost PFC21 2.3.1 Circuit Sturcture of Improved Bridgeless Boost PFC21 2.3.2 Improved Bridgeless Boost PFC with Average Curr
32、ent Control. 23 2.3.3 Improved Bridgeless Boost PFC with One-Cycle Control. 26 2.3.4 Comparison Analysis of Average Current and One-Cycle Control 27 2.3.5 Experiment Results 30 2.4 Analysis of Cascade Buck-Boost PFC32 2.5 Novel Bridgeless Buck-Boost PFC. 33 2.5.1 Operation Principle of Novel Bridgel
33、ess Buck-Boost PFC 34 2.5.2 Device Stress Analysis of Bridgeless Buck-Boost PFC36 2.5.3 Switching Loss Analysis of Bridgeless Buck-Boost PFC38 2.5.4 EMI Analysis of Bridgeless Buck-Boost PFC39 2.5.3 Circuit Design and Experimental Results42 2.6 Summary45 Chapter 3 Bridgeless Digital PFC Algorithm wi
34、th Duty Cycle Prediction46 - VIII - Contents 3.1 Introduction 46 3.2 Circuit Model Analysis of Bridgeless Boost PFC 46 3.2.1 Large Signal Model Analysis 46 3.2.2 Small Signal Model Analysis 47 3.2.3 Design of Digital PFC52 3.3 Digital PFC Algorithm with Duty Cycle Prediction54 3.3.1 Algorithm Deriva
35、tion of Duty Cycle Prediction. 54 3.3.2 Comparison of Duty Cycle Prediction and Average Current Control 57 3.4 Design of Duty Cycle Prediction Algorithm59 3.4.1 Graphical programming method. 59 3.4.2 Software Design of Duty Cycle Prediction Algorithm. 60 3.5 Experiment Results. 63 3.6 Summary65 Chap
36、ter 4 Digital PFC Algorithm with Fast Dynamic Response67 4.1 Introduction 67 4.2 Voltage Loop Influence on System Performance. 67 4.2.1 Design Principle of Voltage Loop Bandwidth67 4.2.2 Voltage Loop Bandwidth Influence on input and output harmonics. 68 4.3 Digital PFC Algorithm with Fast Dynamic Re
37、sponse 69 4.3.1 Influence factor of Input Current Distortion. 70 4.3.2 Design Fast Dynamic Response Algorithm 72 4.4 Experiment Results. 75 4.5 Summary78 Chapter 5 Design PFC System of Variable Frequency Air-Conditioning. 79 5.1 Introduction 79 5.2 Design PFC Main Circuit of Air-Conditioning. 79 5.2
38、.1 Main Circuits of Convetional PFC and Bridgeless PFC. 79 5.2.2 Parameters Design of Main Circuits. 81 5.3 EMI Analysis and Filter Design 82 5.3.1 EMI Analysis in PFC Circuit 82 5.3.2 AC and DC Filter Design 83 5.4 Design Control and Protection Circuits 85 5.5 Experimental Results and Comparative A
39、nalysis 86 5.6 Summary91 Conclusions 92 References94 Papers Published in the Period of Ph.D. Education.102 Letter of Authorization.103 - IX - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 Statement of Copyright.103 Acknowledgments.104 Resume105- X - 第 1章 绪论 第1章 绪论 1.1 课题背景及研究意义 根据中国能源信息管理署碳螯合领导人论坛Carbon Sequestration Leadership
40、Forum的资料显示,从 2002 年到 2025 年,全球总能耗预计将增加 57%,到2025 年预计中国将消耗全球能源的 14.2%。中国的能源消耗速度快于国内生产总值GDP,这代表要实现国家可持续发展目标存在艰巨挑战。为应对能源危机,简单地试图遏制对能源的需求是不切实际的做法,必须提高能源管理和使用效率,并采用先进节能技术,实现产品的技术改进和升级换代。为了推动全社会节约能源,提高能源利用效率,保护和改善环境,促进经济社会全面协调可持续发展,自 2008 年 4 月 1 日起施行的中华人民共和国节约能源法第八条规定:国家鼓励、支持节能科学技术的研究、开发、示范和推广,促进节能技术创新与进
41、步。 提升转换效率是优化电源系统性能,实现节约能源的重要一环,究其原因是各项节能环保标准及规范对现有电源系统提出了种种要求。例如,国际能源署IEA倡导的“1 瓦计划”提出在 2010 前,要将所有电器的待机能耗降至 1 瓦以下;美国能源署出台的 80PLUS 标准要求台式 PC 机的效率在不同负载条件下都要高于 80%;欧洲 IEC555 管理条例规定,功率超过 75W 的产品就需要增加功率因数校正PFC功能;美国加州能源委员会CEC则出台了针对外部电源的强制性能效标准。总之,各种电源和电力电子产品要想走向市场,必须采取措施来满足这些标准和规范。AC/DC 转换的效率既与原材料本身相关,也与设
42、计复杂程度和技巧有关。针对具体的功率应用需求,选择合适的工作模式,优化材料和器件的选用,采用新型拓扑结构和控制算法,能实现提升转换效率和优化系统性能的目的。 电力电子装置在电力系统、工业、交通和家庭中的广泛使用,在造福人类的同时也带来了谐波污染问题。电力电子设备产生的谐波使电能生产、传输和利用的效率降低,使电气设备产生过热、振动和噪声,并使绝缘老化,使用寿命缩短,甚至发生故障或烧毁。同时谐波对通信系统也会产生干扰,引起仪器仪表和保护装置的误测量、误动作。世界各国都对谐波问题给予充分重视,不少国家和国际学术组织都制定了限制电力系统谐波和用电设备谐波的标准和规定,如国际电气电子工程师协会(IEEE
43、)、国际电工委员会(IEC)和国际大- 1 - 哈尔滨工业大学工学博士学位论文 电网会议(CIGRE)都推出了各自建议的谐波标准,其中昀有影响力的是1 2IEEE519-1992 和 IEC61000-3-2 ,我国也先后于 1984 年和 1993 年分别制定3,4了限制谐波的规定和国家标准 。解决谐波污染问题的主要途径有两种:一是采用被动方式,对电网实施谐波补偿;二是采取主动方式如 PFC 技术,对电子设备本身进行改进,使输入电流和电网电压为同频同相的正弦波,功率因数接近 1,谐波满足标准要求。 在采用 PFC 技术的电源和电力设备中,通常在交流输入侧接桥式整流电路将交流电变成直流电,再经
44、过 DC/DC 变换器转换成稳定的直流电提供给负载。随着功率的增大,整流桥中的损耗将占整个变换器损耗的很大一部分。针对这5一问题,1983 年罗克威尔公司率先提出了无桥 Boost PFC 拓扑结构 ,这种结构取消电路中的整流桥,减少了电路工作过程中电流流通路径上的半导体器件数量,因此能降低通态损耗、提高效率。无桥 Boost PFC 刚被提出时,受半导体器件、复杂控制电路以及严重的电磁干扰等因素限制,无法被工业界接受。随着半导体技术的发展以及对无桥拓扑结构和控制策略的深入研究,将无桥PFC 应用到电源或者空调等家用电器中逐渐成为可能,同时采用无桥结构提高系统的整体效率符合我国的节能法规,对促
45、进节能技术创新与进步具有重要意义。 本课题来源于哈尔滨工业大学与美国国际整流器公司( International Rectifier, IR)的国际合作项目“变频空调系统的研究”,对无桥 PFC 的拓扑结构和控制策略进行了研究,旨在提高空调系统的效率和动态性能,降低电磁干扰和成本,实现空调系统的高效节能。同时本文针对无桥 PFC 提出的新型拓扑结构和控制方法不仅适用于变频空调,对开关电源和其它需要进行 AC/DC 变换的装置具有普遍意义。 1.2 PFC 技术研究现状 为了提高电网供电质量、抑制谐波污染而采用的 PFC 技术主要有两种,一种是无源 PFC,另一种是有源 PFC。无源 PFC 实
46、际上是一种自然整流技术,它采用电感和电容构成的无源网络进行功率因数校正,优点是不会带来功率器件的开关损耗、效率高,缺点是无源器件体积重量大、输出电压不稳定、功率因数低、谐波电流大。有源 PFC 是一种完全强迫整流技术,即在整个工频周期内功率开关管始终处于开关状态。这种技术的优点是功率因数高、输出电压稳定、谐波电流小、对电网侧的污染低,缺点是控制电路复杂、成本高。由于有源 PFC 很容易就能达到接近于 1 的功率因数,同时能维持输出电压稳定,因此应用范围昀广,目前相关文- 2 - 第 1章 绪论 6-14献提到的 PFC技术绝大部分都是指有源 PFC 。 早期的有源 PFC 电路是晶闸管电路;到
47、 20 世纪 80 年代出现了现代有源PFC 技术,这一时期的研究工作主要集中在工作于连续导通模式(CCM)下的Boost 变换器,其控制方式一般是基于乘法器(Multiplier)原理。20 世纪 80 年代末出现了工作于断续导通模式(DCM)下的 PFC 技术,其输入电流自动跟随输入电压,输入功率因数可接近于 1,这种变换器也叫电压跟随器(Voltage Follower),其控制简单,在小功率场合倍受青睐。20 世纪 90 年代以来, 有源PFC 技术得到长足发展,1992 PESC(IEEE 电力电子专家会议)设立了功率因数校正专题,这被看作是有源 PFC 技术发展的里程碑。1994-1995 年期间,PESC 上报道的一个主要内容是把软开关技术与 PFC 技术相结合,以提高功率因数校正电路的性能。由于中大功率设备在电网中占有很大比重,三相 PFC 在解决电力公害方面具有十分重要的作用,因此
