当前位置:文档之家› 几种Boost电路的功率损耗分析与实验研究

几种Boost电路的功率损耗分析与实验研究

电力电子技术PowerElectronics

第39卷第6期2005年12月

Vol.39,No.6December,2005

1引言

将220V电网电压经整流再提供直流是实际应

用中最为广泛的变流方案,但传统的二极管或晶闸管整流器会对电网产生谐波电流,使电网产生严重畸变的非正弦电流而危害电网,引起输入端功率因数下降,对电网造成污染。有源功率因数校正(APFC)技术可将电源变换成等效的纯电阻,有效地消除了整流装置的谐波,极大地提高了功率因数,减小了高次谐波。在各种功率因数校正电路中,单相Boost电路以其效率高,电路简单,成本低等优点得到了广泛应用。本文对几种典型的Boost变换器的损耗进行了分析,分别设计了3kW的BoostPFC整流电源,并对其进行了损耗分析和计算,得到了与理论分析相一致的结论,为减小Boost电路的损耗,提高Boost变换器的效率提供了方向,也为大功率PFC设计、拓扑设计、参数选择及热设计提供了参考。

2几种典型PFC变换器拓扑

图1示出几种典型的PFC变换器电路拓扑[1]。图1a与单纯的Boost斩波电路的区别仅在于控制方法不同,而工作过程相同。

在主功率开关管VQ两端并联一个缓冲电容

C,即可限制VQ的电压上升率,同时,另设一个辅助电路,使C上的电荷在VQ开通之前释放完毕。为减小辅助电路的损耗,必须在VQ零电压开通后立即停止工作。这样可得图1b所示的零电压转换(ZVT)PWM变换电路的原理图。它的主要换流过程是VQ的开通过程,电路的具体工作过程在此不作分析。

ZVTPWM变换器的特点是:①采用PWM实现恒频控制;②辅助电路的损耗较小;③VQ的电压电流应力较小。其VQ实现了ZVT,辅助开关管VQr实现了零电流开通,但在关断时却是硬关断,所以该电路可减少主元件的开关损耗。由于VQr的工作时间短,流过的谐振能量较小,所以开关损耗也较小。

然而,ZVTPWM变换电路虽消除了VQ的开关损耗,但也引入了辅助换流电路的通态损耗和开关损

几种Boost电路的功率损耗分析与实验研究

贺冬梅,蔡丽娟,陈灵敏

(华南理工大学,广东广州510640)

摘要:针对开关器件、电感在Boost电路中的损耗,分析了硬开关、ZVT和改进的ZVTBoostPFC变换器的功率损耗。并且采用功率因数校正集成电路UC3854,UC3855分别实现3000W硬开关、ZVT和改进的ZVTBoostPFC变换器,通过分析比较3种电路的功率损耗,

验证了BoostPFC电路功率损耗计算方法的正确性。关键词:功率因数;功耗/软开关中图分类号:TM461,TM714.3

文献标识码:A

文章编号:1000-100X(2005)06-0070-02

AnalysisandExperimentationofPowerDissipationinSeveralBoostPFCCircuit

HEDong-mei,CAILi-juan,CHENLing-min

(SouthChinaUniversityofTechnology,Guangzhou510640,China)

Abstract:ThepowerdissipationsofswitchingcomponentsandinductorusedinBoostPFCcircuitareanalyzedandcomputed,furthermorethispaperanalyzesthedissipationsofhardswitching,ZVTandimprovedZVTBoostPFCconverters.3000WconvertersofthethreetypesarerealizedwithUC3854andUC3855.Analysisandcompareprovethecorrectionofthecomputemethod.

Keywords:

PF;powerdissipation/softswitchingFoundationProject:SupportedbyGuangdongProvince′sSpecialScienceandTechnologyFoundationof"TenthFive-YearsPlan"inChina(

No.A1050202)基金项目:广东省“十五”科技重大专项资助(A1050202)定稿日期:2005-10-13

作者简介:贺冬梅(1979-)

,女,山东武城县人,在读硕士,研究方向为电力电子与电力传动。

图1ZVTPWMBoost变换器电路原理图

图中VD——

—续流二极管Lr,Cr——

—谐振电感和电容70

耗。为减小VQr的关断损耗,在ZVTPWM变换电路中加入由辅助电容C1和辅助二极管VD1组成的无损吸收电路,即图1c示出改进的ZVTPWM变换电路。它与ZVTPWM变换电路不同的是,仅在VQr和VQ时关断。改进后添加的C1既可作为VQ的C,又可作为VQr的C,实现了VQ和VQr的软开关。

3开关损耗分析与计算

Boost变换器的总损耗主要包括快恢复二极管

即升压二极管VD损耗、VQ损耗以及电感损耗和辅助电路损耗。

3.1硬开关电路损耗

在典型Boost电路的应用中,开关损耗主要指

快恢复二极管损耗和开关管损耗[2~4]

。此外,电路损耗还包括电感损耗和其他杂散损耗。(1)快恢复二极管损耗快恢复二极管损耗主

要由下述3部分组成。

开通损耗:

PVDon=12

fcIVDf(VRf-VVDf)tfr

(1)通态损耗:PVDcon=VVDfIVDav+RVDIVDrms2(2)关断损耗:PVDoff=14

fcIVDrmsKfVRtrr

(3)

式中

fc——

—开关频率IVDf——

—VD的通态电流VVDf———

VD的正向导通压降tfr———VD的开通上升时间IVDav——

—VD的电流平均值RVD———VD导通时的内阻IVDrms——

—VD的电流有效值tVDrr——

—VD的电压反向恢复时间Kf——

—VD反向恢复电流的温度系数(2)

开关管损耗在硬开关Boost变换器中,开关管损耗由开通损耗、通态损耗和关断损耗3部分组成。开通损耗主要包括开通时开关管两端等效电容(含开关管的输出电容Coss和C)放电形成容性的开通损耗,以及从截止到完全开通,渡过放大区时形成的损耗;在Boost电路中,由于二极管在关断时产生反向恢复电流,造成二极管本身损耗,同时也增大了VQ的开通损耗,其增大部分等于PVDoff。通态损耗主要由VQ的通态电阻产生。其中关断时产生损耗的原因多种多样,主要表现在关断过程中电流下降的延迟和电压上升的过快,从而形成电压电流的交叠,产生很大的功率损耗。开关管损耗的表达式为:

开通损耗:PVQon=23fcCossUo2+PVDoff

(4)通态损耗:PVQcon=IVQ2rmsRVQ(5)关断损耗:

PVQoff=12

fcUoILtfr

(6)

式中Coss=Cds+Cgs

IVQrms——

—VQ的电流有效值RVQ——

—VQ在给定温度下得导通电阻IL———电感电流,IL=Iintfr——

—VD开通上升时间(3)

电感损耗电感损耗主要有铜损、磁滞损耗、涡流损耗组成[2,5]

。其中铜损:PCu=IL2RCu(7)

磁滞损耗:Pn=KhfcBm1.6(8)

涡流损耗:

Pv=16ρ

π2d2

Bw2f2

(9)

式中RCu———电感导线电阻Kh———比例系数,因材料而异

Bm——

—最大磁通密度ρ

———电阻率d———

密度,即单位体积材料的重量Bw——

—工作磁感应强度(4)BoostPFC电路中电流参数的求法

Boost

PFC电路中,

按其定义求得:IL=2!PoUin

sin(2πft)(10)

设电网频率下占空比为Dn,则:

1-Dn=UmnUo=Uin[2π(n+1)Tc/T]Uo

(11)

可求得快速二极管的电流平均值和有效值分别

为:IVDav=TcTN-1

n=0

"IL(1-Dn)IVDrms=TcTN-1

n=0"IL2(1-Dn)

2!

#%%$%%&

(12)流过VQ的电流平均值和有效值为:

IVQav=Tc

TN-1

n=0

"ILDnIVQrms=TcTN-1

n=0"IL2Dn2

!

#%%’%%&

(13)式中N=Tc/TTc——

—开关周期T——

—交流电周期将式(10)~式(13)分别代入式(1)~式(9)

即可得到BoostPFC变换器各方面的功率损耗。其中电感损耗难以降低,需在设计过程中,包括选择谐振参数等时充分考虑降低损耗的措施。3.2ZVTPWM变换器损耗

ZVTPWM变换器实现了VQ和VD的软开关,其电压、电流应力与不加辅助电路的一样,这就大大减小了主电路元件的开关损耗,如式(4)~式(6)

中的PVQon,PVQoff均有很大程度的降低,

甚至为零。然而,辅助电路的引进,也引入了VQr的损耗和谐振回路的损耗。VQr是零电流开通,但有容性开通损耗,且辅助电路的工作时间很短,其电流有效值很小,因此损

耗也小。然而,VQr的关断是硬关断,

关断损耗较大。谐振回路的损耗与Cr,Lr有关。Cr的增加将使辅助换流电路的总损耗增加;Lr的增大对总谐振损耗影响不固定[3]。因此在设计时,应根据减小关断损耗的要求,尽可能取小的Cr值,以及取合适的Lr值。

(下转第77页)

几种Boost电路的功率损耗分析与实验研究

71

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

(上接第71页)

3.3

改进的ZVTPWM变换器

改进的ZVTPWM变换器保留了ZVTPWM变换器的所有优点,并且实现了VQr的零电压关断,C1既作为VQ的C,又作为VQr的C,VQ的C直接

利用其电解电容就可以了,不必另加C,

同时辅助电感的峰值电流也比ZVTPWM变换器的小,这也就减小了辅助电路的损耗。4试验及分析

4.1

试验参数

根据上述分析,分别采用UC3854对硬开关电路和采用UC3855对两种软开关电路控制进行了试

验。试验电路参数为:交流输入电压uin=175 ̄250V;直流输出电压Uo=340V;额定输出功率Po=3kW;最大输出功率Pomax=3.5kW,功率因数PF>0.99;硬开关时,开关频率fs=50kHz;软开关时,fs=100kHz。

为方便比较,3个电路的主电路参数完全一致。储能电感L=0.6mH;输出电容为2个电解电容C1,C2并联,C1=C2=940μF/450V;VQ最初选用MTE53N50EMOSET模块,VD选用DSEI2X61模块,但对软开关Boost主电路设计需选择关断时间短的MOSFET,这样按谐振电路的器件参数选择得到的Cr,Lr能够保证较小的值,并且谐振电路的特征阻抗Zr会相对大,有利于减小谐振电流,从而对减小主电路(下转第80页)

图5示出不同f0下的灯电压uL、灯电流iL实验波形。由此可见,iL波形接近完美的正弦波,波峰因

数约维持在1.42。

图6a示出灯功率P与fo的关系。可见,

该电路能在不到30kHz的频率范围内将P调节到小于50%;

在不到150kHz的频率范围内将P调节到小于5%。

图6b,c,d示出采用SLR型谐振电路调频调光法的仿真结果。比较图5、图6可知,新的调光方法能在窄得多的频率范围内达到深度调光的目的,而且在深度调光时iL的波峰因数也小得多。

5结论

对采用超过400kHz工作频率的超高频半桥逆变电路,提出了一种新型基于T型滤波器的调频调光方法。实验使用一只150W高压钠灯。实验结果可见,在调光过程中没有发现任何声谐振现象。同时该方法能在很窄的频率范围内实现深度调光,而且能在不到150kHz的频率范围内将灯功率调节到小于5%。此外,还能在整个调光范围内维持良好的灯电流波峰因数,电流实验波形近似为正弦,因此灯电流波峰因数在整个调光范围内维

持在1.42左右。

该方法已受理了发明专利,申请号为:03116123.5。参考文献

[1]

EugenStatnic.HighFrequencyOperationofMetal-HalideHighPressureLamps[A].SymposiumOflightingSource[C].1986:105~106.

[2]GulkoM,

BenYaakovS.AMHzElectronicBallastforAuto-motive-typeHIDLamps[A].PESC′97[C].1997,(1):39~45.

[3]

VanTichelenP,WeyenD,GeensR,etal.ANovelDimmableElectronicBallastforStreetLightingwithHPSLamps[A].IndustryApplicationsConference[C].2000,5:3419~3422.[4]

AdamsJ,RibarichTJ,RibarichJJ.ANewControlICforDimmableHigh-frequencyElectronicBallasts[A].Applied

PowerElectronicsConferenceandExposition[C].1999,

2:713~719.

[5]

DaSilveiraCavalcanteF,

BrbiI.ANewDimmable70WElectronicBallastforHighPressureSodiumLamps[A].In-dustryApplicationsConference[C].2002,3:1856~1862.

图5不同f0下的uL和iL实验波形

图6P与fo关系及采用SLR型谐振电路的调光仿真结果

一种新型可调光无声谐振超高频电子镇流器

77

电力电子技术PowerElectronics

第39卷第6期2005年12月

Vol.39,No.6December,2005

图2变换器的uin和iin波形

图3输出效率曲线

(下转第125页)

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

小,负载谐振频率上升,电源工作频率来不及变化,因而滑落到容性状态,电源被迫停机,造成加热工件

报废,次品增多。同时,容性状态时,二极管反相恢复电流极易打坏开关管[2],而LLC负载则可避免这种情况。当感应圈短路时,串联的LS保证电源始终工作在感性状态,电源不必停机,待短路消除后,电源继续工作。2.5

控制策略

如图3所示,由uin和i1之间的相角!随频率变化曲线可得!(ω0)是一个非单调函数,而且在感性与容性之间变化,因此不适合作为一个控制变量引入到系统中,相反θ(ω)为单调函数,且当工作在ω0点

时,θ(ω)的相位大约为-90°,不受电路参数变化的影响,所以采用θ(ω)作为系统的控制变量,采用LLC[3],

使电路工作在ω0

点。图6示出系统控制框图。

3实验及结果

根据图6制作了一台样机。实验参数:直流电压

为Uin=100V,LS=10.5μH,LR=1.17μH,C=0.55μF,Q=

11.5。可以推算得谐振频率f0≈210kHz,

实际工作时,由于工件变化和杂散电感的影响,系统的f0在

218kHz附近。图7a示出uin和i1波形。由图可见,

当系统处于最大功率点时,LLC的输入端阻抗呈感性状态;从实验波形测得的%(ω0)

≈43°;由给定的实验参数和式(3)算得的!(ω0)

=40.93°,这与实验结果较吻合。图7b示出uin和uC波形。由图可见,在ω0点时,

uC约落后uin90°左右,且幅值之比uC/uin≈1.33,

而理论数据为Q/β≈1.28。图7c示出i1和i2波形。由图可得i2/i1≈8.8,这与式(5)

的理论计算值9很接近。4结束语

本文介绍了一种应用于高频感应加热电源的

LLC谐振拓扑,

通过良好的负载设计可替代传统的负载匹配变压器,并具有相当强的抗短路能力。LS的设计可以消除寄生电感的影响,即把寄生电感归算到LS的设计当中,这样可减少当负载离电源很远,连线很长,寄生电感很大时的影响。实验证明,LLC谐振拓扑在高频大功率感应加热电源中的应用价值很大。

参考文献

[1]

俞勇祥,陈辉明.感应加热电源的发展[J].金属热处理,2000,(5):28~29.[2]吴兆麟,林刚,兰

奎.串联逆变式高频感应加热电源

[J].电力电子技术,1994,28(1):18 ̄21.

[3]

DieckerhoffS,RuanMJ,DeDonckerRW.DesignofanIGBT-basedLCL-resonantInverterforHigh-frequencyIn-ductionheating[A].Proc.34thIEEE′99IASannualMeet-ing[C].1999:2039 ̄2045.

图6系统控制框图

图7实验结果

(上接第77页)

的最大电流,减小电感磁芯饱和磁感应强度,减小电感损耗等均有好处。最后VQ决定选用两个IRFP460N并联;谐振电路开关管选用IRFP460N,续流二极管选用DSEI2X61;Cr=10nF,Lr=8μF。4.2

试验结果分析

利用上述参数分别制作了3kWPFC变换器。试验结果表明,软开关BoostPFC变换器的PF稍有改善,效率有明显提高。图2示出uin=175V时变换器的输入电流iin和uin波形。

图3示出不同Po下各变换器的效率曲线。

80

!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

(上接第80页)

5结

分析了几种常用BoostPFC变换器的功率损

耗。通过采用UC3854实现了3kWBoostPFC变换器。文中验证了分析的正确性。得出结论如下:

(1)BoostPFC变换器的主要损耗包括开关损耗及电感损耗,ZVT软开关通过减少开关器件损耗提高了变换器的效率,改进的ZVT方法进一步提高了

BoostPFC电路的效率,

设计过程应尽量选取关断速度快的功率开关管。

(2)BoostPFC变换器是一种性能优越、适应范围广的电路,希望本文对于BoostPFC电路的设计

及其热设计有一定的帮助作用。参考文献

[1]阮新波,严仰光.直流开关电源的软开关技术[M].北京:科技出版社,2000.[2]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计[M].北京:电子工业出版社,2004.[3]杨旭,王兆安.零电压过渡PWM软开关电路的损耗计算[J].电力电子技术,1999,(01):29~32.[4]曹建安,裴云庆,王兆安.BoostPFC电路中开关器件的损耗分析与计算[J].电工电能新技术,2002,21(01):41~44.[5]

杨玉岗等.现代电力电子的磁技术[M].北京:科学出版社,2003.

也即,应用到k区间内的补偿存在-2UdtT

的误

差,k+1区间也一样,但到k+2区间则获得完全的补偿。同理,电流方向由负到正时,其分析相同。误差在两个控制周期的存在,使得实际电压有一点畸变,但不影响整个算法的性能。

为了减少零电流箝位现象,在预测电流控制中加入辅助反馈[3],通过一个增加电压的应用使实际电流逼近ik+1。假设运用辅助电压的增加(当然该增加的电压必须大于死区的误差电压)改变规则运行的实际电压,则由此迫使电流比正常的更早过零。

4实验结果

为验证所提控制算法用于死区补偿的有效性,建造了1台30kW的逆变器进行测试。系统电路参数:直流母线电压Udc=240V,三相星形连接的600W感应电机作为负载,

其P=600W,U=380V,f=

50Hz,转速n=1.2kr/min,rs=1.2Ω,rr=0.882Ω,Ls=0.1194H,Lr=0.1194H,Lm=0.1154H。

采用TI公司提供的DSP芯片TMS320F240实现逆变器的预测电流

控制算法[4,5]

。图4示出基于同步旋转d,q坐标系的控制系统原理框图。方框部分全部由软件实现,无需添加另外的硬件,易于实现[5]。图5示出补偿前、后A相电流Ia波形。图5b为

带积分反馈预测电流控制算法的ia波形。

图5表明,所提算法对逆变器死区效应的补偿效果很好。

5结论

提出了基于预测电流控制的一种补偿逆变器死区效应的算法。采用预测控制和反馈相结合的新算法,由DSP芯片TMS320F240来实现。理论分析和实

验结果表明,这种补偿方法补偿死区效应的有效性。该算法无需添加任何硬件,均由DSP完成。参考文献

[1]

GJeong,MHPark.TheAnalysisandCompensationofDead-timeEffectsinPWMInverters[J].IEEETrans.on

IndustrialElectronics,1991,38:108 ̄114.[2]

JWChoi,SKSul.ANewStrategyReducingVoltage/Cur-rentDistortioninPWMVSISystemsOperationwithlowOutputVoltages[J].IEEETrans.onIndustryApplications,1995,31:1001 ̄1008.[3]

SummersBetz.Dead-timeIssuesinPredictiveCurrentCon-trol′02[A].37thIASAnnualMeeting[C].2002,(3):2086 ̄2093.

[4]RBetz,

BCook,SHenriksen.ADigitalCurrentControllerforThreePhaseVoltageSourceInverters[A].inConferenceRecordoftheIEEE_IASAnnualMeeting[C].1997:772 ̄779.

[5]王研.基于DSP的空间电压矢量法PWM的研究[J].电

机与控制学报,2000,(2):14 ̄17.

预测电流控制算法的控制系统原理框图

图5实验结果

一种补偿PWM逆变器死区效应的新方法

125

相关主题
文本预览
相关文档 最新文档