文献标识码:A
文章编号: 0258-7998(2014)11-0060-04
0 引言
由于电力电子产品的广泛应用,产生了高次谐波和无功功率,严重影响电网和其他设备的正常工作,这就需要PFC技术的应用。在中大功率场合中,Boost PFC工作在电感/电流连续(CCM)时,电路输入/输出电流纹波小,流经开关管的电流有效值小,但在硬开关状态下,开关损耗高,二极管也会产生很高的恢复损耗。Boost PFC工作在电感/电流断续模式(DCM)时,二极管是零电流开通,减小了开关损耗,电感量小,但有较高的电感/电流峰值,在输入较高电压时,功率因数较低。Boost PFC工作在电感电流零界连续模式(CRM)时,具有零电流开关的特点,降低了电路损耗,且电感量比DCM小,但电路频率不固定,在输出负载较小时开关频率变化范围大,不利于EMI滤波器的设计,多应用于小功率的Boost PFC电路。
交错并联Boost PFC是指不少于一个变换器基本单元并联组成的电路, PWM控制每个变换器的开关管交错导通 ,电流呈现交错状态流过每个开关管。参考文献[1-2]具体分析了耦合电感对交错并联Boost PFC电源输入电流、输出电流、电感电流的影响;参考文献[3]给出了加入均流电感对两路并联电感实现均流的方案;参考文献[4]对两路交错并联DC/DC变换器实现软开关的控制策略进行研究;参考文献[5]提出了一种基于拓扑组合的高增益Boost 变换器;参考文献[6]介绍了耦合电感的基本原理,分析了耦合电感对变换器开关频率、输入电流纹波的影响。本文提出了数字交错并联Boost PFC新型电源,对硬件和软件给出了具体设计方法,并进行实验验证。
1 硬件电路的设计
1.1 交错并联Boost PFC硬件原理
图1是新型电源系统框图。新型电源主要包括主功率电路和DSP控制电路,可以看作是一个典型的自动控制系统。交流电输入电路后,通过EMI滤波器抑制外來电磁干扰,经过整流电路输入主功率电路。主功率电路是系统的控制对象,DSP控制电路是系統的主控制器。电压检测、电流检测、电压反馈是DSP控制电路的输入,两路脉冲宽度调制(PWM)是DSP输出,相位相差180°,占空比小于0.5,通过驱动模块控制开关管的导通和截止,使得两相电感/电流相位交错180°,电感/电流纹波相互叠加抵消以后,整个PFC电路的输入电流纹波得以大大减小,有效减小电感和EMI滤波器的尺寸。图2是交错并联Boost PFC的电流波形图。整个系统采用双环控制结构,电压环对输出电压进行反馈和调节,实现输出电压稳定;电流环控制输入电流跟随输入电压变化,实现PFC的矫正,理论上能够使功率因数达到1。
1.2 主电路参数设计
1.2.1 开关频率的选择
功率因数校正电路中,为了减小新型电源的体积和避免电路中的损耗过高,开关管的开关频率不能偏低,也不能过高。本设计开关管的开关频率fs为50 kHz,两路电感电流交错以后,实际输入频率达到100 kHz,这一频率使得整个系统工作在最佳状态。
1.2.2 耦合电感值的计算
两路电感L1、L2采用正向耦合,在正常工作状态下,L1、L2工作在DCM下,总的输入电流工作在CCM下。由于两路电感存在互感,解耦后的等效电路如图3所示。
在输入最低电压峰值和PWM占空比小于0.5的情况下,需要满足电感电流纹波要求。最小输入峰值电压为:
根据公式[7]:
得到:
其中Uo为输出电压有效值(400 V),Uin为输入电压有效值,D为PWM占空比,且D<0.5,则电感值为:
取L1、L2的电感值为200 H,输出功率为1 200 W。在输出额定功率恒定的情况下,输入最大电流峰值为:
设计中脉动电流为峰值电流的20%,则脉动电流:
电感上的峰值电流等于输入最大峰值电流加上脉动电流的一半:
1.2.3 输出电容的设计
当输入电源切断后,保持时间是指输出电压跌落到正常电压的90%,设计保持时间:?驻t=1.5 ms,则输出电容:
设输入电压为:
输入电流为:
效率为:?浊=95%,则输出电流为:
Io在系统满负载时输出的电流为3 A。输出电流io(t)的交流分量流经输出电容产生的电压纹波为:
设计输出纹波为输出电压的5%,则输出电容为:
因此,输出电容用一个1 000 F/450 V、一个220 F/450 V和2个10 F/450 V并联,输出电容实际值为1 240 F。
2 控制系统的分析与设计
为了实现系统恒功率的控制,取整流后的输入电压平均值为V,在模拟控制中,V由二阶低通滤波得到,含有二次纹波,会影响功率因数的提高。在改进型算法中,用数字离散方法计算V:
式中,N表示一个周期内的采样次数,取2 000次;V(i)表示第i次采样值,避免了引入二次谐波,提高了功率因数。对于传统PFC电路的基准电流容易受到输入电压干扰的缺点,提出了采用电压环和电流环双闭环数字PI控制算法。在此算法中,输入电流正弦波形由DSP内部软件完成,当输入电压受到干扰发生畸变时,能够保证输出为高度正弦的电流波形,从而使系统保持很高的功率因数,算法结构如图4所示。
基准电压Vref与输出电压采样Vinput比较得到电压误差信号Verr,Verr经过电压调节器输出信号A。信号A、数字正弦表取值B、输入电压平均值C、比例系数Km作为电流基准算法的4个输入,通过算法得到输入电流基准Iref。Iref与输入电流采样值Iinput比较之后得到电流误差信号Ierr,Ierr经过电流调节器计算后,输出开关管的PWM驱动信号。由图4可知,电压环的传递函数:
其中,Vo是输出电压,令:
式中,Tv是采样周期,将式(17)、式(18)代入式(16)进行z变换,得:
再进行z逆变换,得电压环控制算法:
同理可得电流环传递函数:
式中,Io是开关管输出电流,令:
采用双线性变换:
式中,Ti是采样周期,将式(23)、式(24)代入式(22)进行z变换,得:
再进行z逆变换,得电流环控制算法:
DSP数字控制程序由主程序和中断服务子程序两部分组成。主程序完成各功能模块的初始化,中断程序包括电压环计算、电流基准算法、电流环计算。程序流程图如图5所示。
3 实验结果
本文基于DSP数字控制平台,根据硬件和软件设计,制作了一台1.2 kW的数字PFC电源,并对创新型算法进行实验验证。实验参数:输入电压为220 V,开关频率为50 kHz,耦合电感为200 H,输出电容为1 240 ?滋F,输出电压为400 V。图6(a)是输出满载1.2 kW的实验结果,可见输入电流波形跟随输入电压波形,功率因素为0.993,效率为95.715%,THD为2.558%。图6(b)是输出负载突然变化的情况下,输入电流大小随输出负载变化而变化的波形图,可见输入电流波形跟随输入电压波形,没有发生畸变,输出电压稳定,几乎没有抖动,功率因数为0.996,效率为95.506%,THD为2.304%。因此证明了新型电源和改进型算法的可行性和正确性,系统稳定性好,达到实验要求。
4 结论
本文针对并联交错Boost PFC新型电源,对耦合电感和输出电容进行了详细的设计,提出了基于DSP的改进型双闭环控制算法,外环为电压环,内环为电流环,基于PI控制算法来实现内部运算,达到控制效果。最后设计并制作了1.2 kW的数字PFC电源。大量的实验结果表明,新型电源有效提高了功率因数和效率,降低了THD,很大程度上减少了电路对电网的谐波污染,具有很好的稳定性和动态性,满足工业上对负载突变的严格要求,拥有很好的市场应用前景。
参考文献
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