三态Boost功率因数校正变换器研究

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近年来,大量的电力电子设备使网侧电流发生畸变,造成电网谐波污染。有源功率因数校正技术能够降低网侧电流总谐波失真(Total Harmonic Distortion,THD)提高网侧功率因数(Power Factor,PF),从而解决谐波污染问题。相较于连续导电模式(Continuous Conduction Mode,CCM)Boost PFC变换器与断续导电模式(Discontinuous Conduction Mode,DCM)Boost PFC变换器,三态Boost PFC具有负载范围宽、动态响应速度快的优势,但是现有的控制方法使得变换器的功率因数较低,针对这一问题,本文从三态Boost PFC变换器基本工作原理出发,研究提高三态Boost PFC变换器功率因数的控制方法。首先,分析了三态Boost PFC变换器的基本工作原理以及直流稳态特性,并利用状态空间平均建模方法对其进行小信号建模;结合解耦控制理论,基于三态Boost PFC变换器存在两个控制自由度的特点,将正弦参考电流独立引入电流控制环路,理论分析了实现单位功率因数时电压控制环路的控制方法。其次,通过推导输入电流、参考电流与主开关管占空比之间的关系式,研究变换器功率因数近似单位功率因数所对应的参考电流、主开关管和续流开关管的参数设计,通过将非正弦参考电流引入电流控制环路中,并利用泰勒级数展开简化了电压控制环路,研究了变占空比非正弦参考电流控制方法。与解耦控制方法相比,提高三态Boost PFC变换器的功率因数。再次,以解耦控制理论与三态Boost PFC变换器输入电流为基础,通过正弦参考电流引入电流控制环路控制续流开关管,电压控制环路控制主开关管,实现两个控制环路的解耦,并研究了电流控制环路中参考电流的幅值以及电压控制环路中主开关管控制电路设计方法。在此基础上,研究了变换器在轻载时工作于DCM模式,重载时工作于伪连续导电模式(Pseudo Continuous Conduction Mode,PCCM)的混合模式控制。与解耦控制、变占空比非正弦参考电流控制相比,在输入电压增大时,变占空比正弦参考电流控制具有更小的输入电流畸变,同时混合模式控制具有更高的轻载效率。最后,根据功率器件的电压与电流应力分析结果以及PFC变换器电感与输出电容的设计方法,确定电路参数和对器件进行选型后,搭建了400W的实验样机,实验结果验证了理论分析的正确性。
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