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高功率因数软开关电源设计研究与仿真

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接近 1 ， 单周期控制全桥 DC / DC 变换器基本实现 ZVS。
— 104 —
2
系统结构及原理性分析
单相全桥 PFC 高功率因数开关电源拓扑结构如图 1 所
G r （ s ） 是重复控制器， i L1 其中 w p 是给定正弦信号频率， 是输入电感电流。 由图 2 可得式（ 2 ） 闭环控制传函。 i L1 Φ（ s ） = * = i L1 Kp * G id （ s） * G r （ s） s 2 + w p2 Kp 1 + 2 * G id （ s） * G r （ s） s + w p2
^ （ s） 之间的关系如（ 1 ） 式所示 d ^ （ s） i L1 G id （ s） = ^ = d（ s）
v g （ ＲCs + 2 ） ＲLCs2 + Ls + 珚 D2 Ｒ
（ 1）
G id （ z） =
（ 4）
珚 D = 1 － D， D 是占空比。 式中 v g 是 BOOST 稳态输出电压， 根据重复控制器内模原理 ， 在功率因数校正闭环系统中 当输入误差为零时控制器也能保证系统 引入正弦给定信号，
示。单相交流电压输入经过不控整流桥变换成直流所需电 BOOST 电路一方面做有源功率因数校正 （ APFC） ， 压， 消除和 另一方满为中间级提供合适的母线电压 ； 后 抑制谐波污染， 级 DC / DC 移相全桥直流电压逆变高频交流电压在经过高频 变压器和输出滤波电路输出电压在 0 400V 电压可调。
L1
Hale Waihona Puke 图3重复 PI 功率因数校正控制框图
Z out 分别是 BOOST 输出电压参考值、 图 3 中 V g_ ref、 等效 输出阻抗。 C2 = 1 mF， 将功率因数校正电路参数 i L1 = 350 μH， 额定情 BOOST 升压 570V， 电源 10kW 等效 况下输入交流 AC220V， 输出阻抗 16 Ω 带入式（ 1 ） 中并且进行 Z 变换得到式（ 4 ） 并画 出系统伯德图如图 4 所示。 81 ． 54 z － 81 ． 03 z2 － 1 ． 996 z + 0 ． 9969
2 无静差输出。因此， 在闭环系统中加入正弦信号模型 K p （ s
从图 4 中可以看出在中低频段幅值裕度不是 0dB， 由自 为了提高系统的动态特 控理论可知该被控对象是不稳定的 ， 性需要对控制对象进行校正 ， 令其校正环节为 G c （ s） = 校正后传递函数为 G s （ s） = G id （ s） * G c （ s） ， G（ s） = 1 1 ． 092 ˑ 10 －6 s2 + 147 ˑ 10 －6 s + 1 2 ． 38 570 （ 16 ˑ 10 －3 + 2 ） （ 5）
3． 1. 1
使整 用之一就是对输入电源电网电压电流做功率因数校正 ， 流桥输入电流跟随输入电网电压同频同相功率因数接近 1 ， 消除电网谐波对整个系统的影响 。 然而对于同一种功率因 数校正拓扑电路不同的控制方式功率因数校正的效果确有 结合重复控制器对控制对象具有无静差跟踪的 很大的不同， 优点选取重复控制策略实现功率因数校正 。 对功率因数校正环节的分析依然是建立在其数学模型 4］运用对状态空间 根据 BOOST 电路工作原理， 由文献［ 上， ^ （ s） 和占空比 BOOST 小信号模型分析得到 输入电感电流 i
图1 全桥 PFC 开关电源主电路拓扑
上理论分析提出重复控制器电流内环 ， 输出电压 PI 外环的 控制方式。假设理想 BOOST 变换器无功率损耗即 P in = P out 状态下控制框图如图 3 所示。
3
3． 1
控制策略的研究
重复控制功率因数校正的研究 重复控制器功率因数校正理论原理分析 图 1 所示的开关电源拓扑结构中 ， 前级 BOOST 主要作
从图 5 校正后的被控系统 bode 中在频率 974rad / sec 处 存在一个谐振峰值为 16. 4dB 的振荡， 严重影响控制系统的 稳定性。 3． 1. 2 重复控制器的设计
－N k 重复控制器由周期延时环节 Q（ z） Z 和补偿环节 k r Z S
（ z） 组成。Q（ z ） 是用来改善重复控制器内模临界稳定特性 的， 可以是一个小于 1 的常数或低通滤波器， 设计取 Q （ z ） = 0 ． 95 。功率因数校正被控输入电流 i L1 基波频率 50Hz， 开关 频率 20kHz， 则 N = 400 。增益 k r 一般设计为小于 1 的参数以 增强抑制谐波能力， 因此取 k r = 0. 75 。补偿器 S（ z） 的设计是 根据被控对象 G s （ z） 来确定的， 它决定了重复控制系统的性 能， 补偿器主要是解决当内模包含了给定指令和扰动信号 时， 如何使被控对象 i L1 完美的跟踪输入电网电压的问题 。 为了解决图 4 中系统存在 16. 4dB 的振荡， 将 S （ z ） 设计 成一个二阶低通滤波器 ， 使得 G s （ z ） 在中低频段获得单位增 益并且在高频段有很好的衰减性 。 因此设计的补偿器如式 （ 7 ） 所示。 3． 2
+ w ） 有图 2 所示闭环控制框图。
2 p
离散后表达式如式（ 5 ） 所示。
图2 电流重复闭环控制框图
— 105 —
S（ z） =
0 ． 001062 z + 0 ． 0009477 z2 － 1 ． 709 z + 0 ． 7111
（ 7）
进过补偿后的重复控制器的 bode 图如图 6 所示。
由式 （ 3 ） 得系统稳态误差 lin Φ e （ s ） = 0 ， 即输入电流对 频率为 w p 的给定电流可以实现零误差跟踪 。 所以， 功率因 数校正采用 重 复 控 制 电 流 内 环 对 输 入 电 网 电 压 是 无 静 差 跟踪。 图 1 中 BOOST 电路不仅要对电流进行功率因数校正而 所以在控制策略上结合以 且还要为后级提供适当母线电压 ，
High Power Factor Ｒesearch and Simulation Soft Switching Power Supply Design
CHEN Ji － yang， LIAO Dong － chu
（ School of Electrical and Electrical Engineering， Hubei University of Technology， Wuhan Hubei 430068 ， China） ABSTＲACT： A repetitive control of power factor correction and DC / DC converter are proposed． The single － phase high power factor switching power with single cycle control is researched． The topological structure of main circuit of the switching power supply is mainly composed of BOOST and phase shifted full bridge． The BOOST realizes the power factor correction and provides the appropriate busbar voltage， the output voltage of phase shifted full bridge is adjustable． The simulation shows that the BOOST power factor correction using repetitive controller has good floating， anti － interference performance， the phase shifted full bridge with single cycle current inner loop has good inhibition effect on the output voltage disturbance． Finally， small power experiment is used to verify the correctness of the theoretical analysis and the feasibility of the control strategy． KEYWOＲDS： Ｒepeat control； Power factor correction； Single cycle； Soft switching 但是基于 PID 控制功率因数校正网侧电流谐波不能很好的 抑制和电流跟踪电网电压精度方面无法实现无静差跟踪 。 针对以上 PID 控制策略的不足， 提出了基于重复控制的 功率因数校正技术。为了提高网侧功率因数 ， 对电源输入侧 不控制整流进行 BOOST 功率因数校正， 从控制理论角度详 细分析了重复控制器工作原理并且设计符合要求的重复控 制器。除此之外， 效率方面也是开关电源主要性能指标之 一， 文中采用移相全桥作为后级 DC / DC 变换器， 控制方式上 采用单周期电流内环输出电压外环 。 MATLAB 仿真表明控 制策略的可行性， 小功率实验验证采用重复控制的 boost 功 率因数校实现输入侧电流对输入电压无静差跟踪功率因数
图4
被控对象 bode 图
G s （ z） =
0 ． 001142 z + 0 ． 001139 z2 － 1 ． 991 z + 0 ． 9933
（ 6）
图6 补偿后系统 bode 图
校正后的被控系统的 BOOST 图如图 5 所示。 图 6 中所示经过二阶滤波器对 G s （ z） 补偿以后明显增加 了被控制对象高频段衰减并且对系统产生的谐振峰值有很

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开关电源有源功率因数校正电路的设计与仿真研究_毕业设计论文

开关电源有源功率因数校正电路的设计与仿真研究_毕业设计论文

开关电源有源功率因数校正电路的设计与仿真研究摘要本文对Boost型功率因数校正技术进行了分析、设计和研究。

详细分析了有源功率因数校正器的基本工作原理，通过比较几种不同拓扑的PFC变换器主电路的优缺点，和比较控制电路的几种不同控制方法的优缺点，明确本文所要研究的对象为平均电流控制（ACM）的Boost型功率因数校正器。

在此基础上对Boost主电路和控制电路进行数学建模，得出其状态方程和传递函数，运用仿真软件MATLAB中的Simulink工具，建立了Boost主电路和控制电路的Simulink仿真模型，并得出其仿真结果。

本文根据Boost变换器的特点和要求，设计了一个具体、实用的带PFC功能的开关电源电路，并给出了具体设计步骤和电路参数的计算。

平均电流控制的单相Boost功率因数校正电路，完全能够达到整流、高输入功率因数、升压、稳压、低纹波的目标，具有广阔的应用前景。

关键词：功率因数校正；Boost变换器；仿真AbstractBased on the summary of the fruits of the research of the Active Power Factor Correction, the PFC system, which adopts Boost power converter circuit and Average Current Mode control scheme, is well studied in this thesis.According to the principle and the discussion of the single-phase active power correction, concluding different structures of the main circuit and methods of the controllers, the PFC system, which adopts Boost power converter circuit and Average Current Mode control scheme is indicated as the developing direction of PFC and regarded as PFC system structure.Then, the state differential equations of ideal Boost converter and the general transfer functions of PWM converter are deduced and the simulation models of ideal converter are showed using MATLAB.Besides, we design a practical circuit with the function of PFC, giving discrete design steps and the calculation of the circuit parameters.Finally, we can conclude that the PFC system which adopts Boost power converter circuit and Average Current Mode control scheme can achieve good performance, which can be used widely in the future.Key words: PFC (power factor correction); Boost converter; Simulation目录第1章绪论 (1)1.1 课题研究意义 (1)1.2 功率因数 (1)1.3 功率因数校正方法 (2)1.4 本文所做的主要工作 (4)第2章有源功率因数校正技术 (5)2.1 APFC原理 (5)2.2APFC技术分类 (6)2.3有源功率因数校正的主电路拓扑 (6)2.4有源功率因数校正技术的工作模式 (7)2.5有源功率因数校正技术的控制策略 (9)第3章APFC电路的设计 (14)3.1APFC电路的选择 (14)3.2APFC电路的参数设计 (15)3.3本章小结 (20)第4章APFC电路的仿真分析 (21)4.1MATLAB简介 (21)4.2APFC主电路的仿真 (22)4.3Boost型APFC电路的仿真 (25)4.4APFC电路的优化设计 (30)4.5本章小结 (33)结论 (34)参考文献 (35)致谢 (36)第1章 绪 论1.1 课题研究意义随着电子科学技术的发展和应用，电子设备的种类越来越多，其中电源已经成为这些电子设备不可缺少的一部分。

一种软开关高功率因数直流电源的设计

一种软开关高功率因数直流电源的设计

功率 变 换 电路 分别 进 行 控 制 ，造 成 控 制 电路设 计
复杂 化 。
为 四个模 态 ： 模 态 ｌ主开 关 管 Ｑ 处 于 导通 状 态 ， 流 二 极 ： 整 管 Ｄ 通 、 。截 止 ，变 压 器原 边 电流 ｉ升 高 ， 。导 Ｄ： ｐ 能 量 由原 边传 递 到负 载 。 模态 ２Ｑ 关断 ， ： 原边 电流 给 ｃ 充 电 ， 电。 Ｃ放 当 ｃ 两端 电压上 升 到 Ｖ 后 ， 。截 止 、。导 通 ， Ｄ Ｄ 变
２１ 年 第 ３ ０１ ３卷 第 ３期 第 ３ ０页
电 气 传 动 自 动 化 Ｅ Ｅ Ｔ Ｉ Ｉ Ｅ Ａ ＯＭＡＴ ＯＮ Ｌ Ｃ Ｒ Ｃ ＤＲ Ｖ ＵＴ Ｉ
Ｖ １３Ｎ ． ｏ． ， ｏ３ ３ ２ １ ，３ ３）３ ～ ２ ０ １ ３ （ ：０ ３
文章编号 ：０ ５ ２ ７ ２ １ ）３ ０ ｏ ＿ ３ １０ ｎ７ ７ （０ ０ —０ ３ － ０ １
中图分类号 ： Ｍ４ Ｔ ６ 文献标识码 ：Ｂ
Ｄｅ ｉ ｆａ ｓ ｆ － ｗｉｃ ｎｇ ＤＣ ｗｅ ｕ ｓｇｎ ｏ ｏ ｔ ｓ ｔ ｈｉ ｐｏ ｒｓ ｐｐｌ ｔ ｉ ｈ ｐｏ ｒ ｆ ｃ ｏ ｙ ｗｉｈ ｈ ｇ ｗｅ ａ ｔ ｒ
Ｙ ＡＮＧ ｎ － ｏ ｇ Ｘｉ ｇ ｌ ｎ
率 基于Ｐ ＣＰ …； Ｆ ／ＷＭ复合控制芯片 ， 设计控制 电 路， 简化控 制系统 。本文介绍 了电路 的工作原理 ，
并研 制 了一 台实验 样 机 ， 得 了满 意 的效 果 。 获
ｃ 充 电。 Ｄ 导通期间， 箝位开关管 Ｑ 可实现零电
压 开通 。
模态 ３ Ｑ 零 电压开通 后 ，箝位 电容 ｃ 与变 ： 压器励磁 电感构成 谐振 回路 ， 减 小到零并 反 向 ｉ
新型Buck软开关电路的设计与仿真

新型Buck软开关电路的设计与仿真

新型Buck软开关电路的设计与仿真贾贵玺;张春雁;肖有文;赵惠超【摘要】Buck converter has been found widely application in power electronics and power drives.In order to decrease its switching loss and noise in the operation,this paper proposes a novel soft-switching topology of Buck converter,and the resonant circuit is paralleled with the main switch,which makes the resonant process free from the effect ofload.Before the conduction of the main switch,the auxiliary switch conducts,and zero-voltage turn on and turn off the main and auxiliary switches are realized.This paper analyzes the process of soft-switching in detail,and the resonant parameters and minimum duty cycle of auxiliary switch are deduced.The simulation shows the validity of the design.%Buck 变换器在电力电子及传动中得到了广泛的应用,为了减少其工作过程中的开关损耗和开关噪声,本文提出了一种新型Buck软开关电路拓扑结构图,将谐振电路与主开关并联,谐振过程则不受负载电流大小的影响;主开关导通前先使辅助开关导通,实现了主开关和辅助开关的零电压开通和关断。

大功率下特殊直流变换器的软开关仿真研究

大功率下特殊直流变换器的软开关仿真研究

开关仿寅研 穷
贵 州交通职业技术学院机电工程 系 朱 念
［ 摘 要］ 现如今 ， 高电压 输入的 ＤＣ— ＤＣ直流 变换 器在 开关 电源中得 到越 来越广泛 的应 用 ， 要求其输入 的高电压与输 出的 高精度 。
本文研 究了一种基 于交错并联双管正激 变换 器的零 电压转换 （ ｚ ｖ Ｔ ） 软 开关技 术 ， 并应用于总电路 中实现开关管的软 开关。最后 ． 应 用 ＭＡ Ｔ Ｌ Ａ Ｂ仿真软件 对零 电压转换 的交错 并联 双管正激 变换 器进 行 了仿真 实验 ， 在 仿真 中不断优化 电路 参数 ， 并对仿真 结果进 行 了分析。 ［ 关键词］ 交错并联 零 电压转换 软 开关技术
３ ． 大功率交错并联双管正激变换器零 电压转换 电路 的仿真分析 电能是 当今社会最重要 的 、 最便利 的 、 最清洁 的， 也是适用范 围最 ３ ． １ 主要技术指标 广 的能 源形式 。电能转 换则是电能被合 理利用 的前提 ， 是用好 电的必 输 人 电压 ： Ｕ ｉ ｎ ＝ ４ １ ０ Ｖ 一 ６ １ ５ Ｖ ； 输 出电 压 ： Ｕ ｏ ＝ １ ８ ０ Ｖ ； 输 出功 率 ： Ｐ 由之路 。Ｄ Ｃ — Ｄ Ｃ变换 器是电能变换 的核心 装置 ， 电力电子领域 的发展 ３ ３ ０ ０ Ｗ； 输出 电流 ： Ｉ ｏ ＝ １ ８ ． ３ Ａ； 开关频 率： ｆ ｓ ＝ ５ ０ Ｋ Ｈ ｚ ； 效率： ＞９ ０ ％； 保 也 为提 高 Ｄ Ｅ — Ｄ Ｅ 变换器 的性能提 高做 出了贡献。提高变 换器 的工作 功 能 ： 输入 电压过压保护 ， 输入电压欠压保护 ， 输入电流过 流保护 。 频率成 为提高 Ｄ Ｃ — Ｄ ｃ 变换器性 能最直接的方法 。但是频率越高 ， 开关 ３ ． ２ 仿 真电路 图及仿真图形分析（ 如图 ２ 所示 ） 损耗就会越多 ， 相对 的变换效率就会 随之 降低 ， 而软开关 技术的引入可 以有效地降低开关损耗 。 一 ２ ． 交错并联双管正激变换器原理 分析 在几 种常用隔离式 变换器拓扑结构 中 ， 双管正 激变换器开关 电压 应力 低 ， 能 够从结 构上彻底 消除桥 臂直通 的危险 ， 提高变换 器 的可靠 ， 性， 而可靠性是所 有电力 电子装 置的生命线 。因此双管正激变换 器具 有其它变换器所无法 比拟的优点 ， 成为 目前应用最多的拓扑之一 。 为 了有效降低变 压器副边输 出二极 管 电压应 力 ， 本文采用交 错并 联 双管正 激组合 变换 器。该 组合变换器由两组双管正激变换器在输入 端交错并 联 、 输 出端并联 构成。两个并联单元 以相 位相差 １ ８ ０ 。 互 补方 式 工作 ， 其 输出电压脉动频率是实际开关管工作频率的两倍 ， 尤其适用 图２ 仿真 电路图 于大电流输 出场 合。在输 出电流一定的情况下 ， 副边整流峰值 电压减 小一般 ， 续流 时间短 ， 容易实现变换器的电流连续工作模式 。 交 错并联拓 扑可以减小流人输 出滤波 电容 的电流 ， 从 而减 小输 出 ¨ ／一 Ｉ ／，一 ｌ ： ／， ， ｌ 电压纹 波及噪声 ， 因而可以减小输出滤波 电感与滤波电容的大小 ， 提高 Ｔ ／ ｌ ／ ， ／ 其动态负载性 能 ， 具有抑制输出电流纹波 、 降低输 出滤波器容量和扩大 系统功率输出的显著优点。两路双管正激变换器进行交错连接有两种 方法 ： 一种是两个双管正激变换器并联在输出 电容两端 ， 两个双管正激 厂 ＼ 、 、 √／ 厂 、 ＼ 一 ／ ， ＼ 变换器用各 自的滤波 电感 ； 另一种是两个 双管正激变换器 并联在续流 ｆ ／ 二极管两端 ， 两个 双管正激 变换器共用一个滤波 电感 。 ／ ／ ＾ ～ ／ 输 出续流二极管侧并联的组合电路 ， 滤波 电感纹波较小 ， 输 出电容 电压纹波较小 ， 输 出电压纹波较小 ， 且使用 的元器件较少 。因此本论文 选用输出续流二极管侧并联 的交错并联变换器 电路 。 交错并联双管正激变换 器的零 电压转换分析 ： 图３ 开关管的零电压转换波形 在双管正 激变换器 的原 边有两个开关 管 ， 这两个开关 管在工作 中 由图 ３ 可知 ， 在软启动 的作用下 ， 输出 电压缓 慢上升 ， 没有过 冲 同 时开通 、 同时关 断。在开通 的时候 ， 两管 同时流过 副边滤 波电感 电 出现 。输 出电压纹 波小 于０ ． ５ Ｖ， 达 到要求 ， 很好 的实现了大功率下直 流， 从副边 折算到 原边 的折 算值加 上变压器 的激磁 电流 ； 当开关关 断 变换 器的零 电压启动 。 时， 两 个特性一致 的开关管共 同承受 输入电压 。根 据开关管 的这个 工 ４ ． 结 论 作特点 ， 如果设计 电压型软 开关 ， 只需要在两 开关的串联 回路中加入一 在 中功率场合 下双管正激 变换器具 有电压应力低且可靠性高等 个 与输 入电压相等 的电压源或等效 电压源与其相抵 消 ， 就可 以使 两个 点。交错并联 双管正激变换器 在保 留其优点 的同时 ， 克服 了副边 电 开关管 同时实现零 电压 开通或零 电压关 断 ； 同理， 如果设计 电流型软开 应 力高 、 电压 和电流脉动大及 变压器磁芯利用率低 等缺点 。在续 流 关， 只需要用 一条 支路将两 开关 串联 支路中的电流移走 ， 就能使两开关 极管侧并联 的组合变换器能 够增加变换器 的等效 占空 比， 提 高等效 管 同时 实现零 电流开通或关 断。零 电压转换实质上也属于零开关转换 率 ， 减小输 出电流脉动 ， 降低 副边续流二极管 的电压应力 ， 减 小滤波 器， 只不过谐振 网络与主开关是并联的 ， 从 而改善了零开关条件 。 的体积 ， 而且电路简单 ， 能够 自动均流。为了改善双管正激组合变换 由于双管 正激变换器 中两个 开关 管 （ 如Ｓ 和Ｓ ） 为串联方式 ， 控 的开关环境 ， 本文对 双管 正激变组合换器 的零 电压转换（ ｚ Ｖ Ｔ ） 电路进 制 两个 开关管 支路上的电压就能控制两个开关管的电压。根据这个原 了仿真 ， 该电路只采用一套辅助 电路 ， 同时实现组合变换器 中两个双 理 我们提 出了如图 ｌ 的交错并联 双管正激 变换 器的零 电压转换 电路。 正激变换器的主开关零电压开通和关断 ， 辅助开关零 电流开关 ， 但是 本 电路 由两个谐 振开关 管 ｓ 和 ｓ 两个 去耦合 二极管 Ｄ。 和 Ｄ。 以及 助开关为容性开通 ， 该辅助电路中没有谐振 电感 。 谐 振电容 Ｃ 组成 。因为变压器 中的漏感 和激 磁电感可作为谐振 电感 ， 因此电路中没有 另外 加入谐振 电感 。 参考文献 ［ １ ］ 李宇Ｂ ｕ ｃ ｋ ｂ ｏ ｏ ｓ ｔ 变换 器的研 究［ 硕 士学位论文 ］ ． 南京 ： 南京舷 航 天大学， ２ ０ ０ ６ 年： １ — ２ ， ２ ６ — ２ ７ ．