2003年4月
电工电能新技术
Advanced Technology of Electrical Engineering and Energy
Vol.22,No.2Apr.2003
收稿日期:2002 06 24
作者简介:朱士海(1977 ),男,江苏籍,硕士,主要研究电力电子功率因数校正技术;
钱照明(1939 ),男,江苏籍,教授,主要研究电力电子及电磁兼容技术。
一种新型高性能功率因数校正整流电路
朱士海,吴卫民,钱照明
(浙江大学电力电子技术研究所,浙江杭州310027)
摘要:提出了一种基于过调制原理的新的功率因数校正(PFC)控制方法,其直流输出电压给定信号随交流输入电压的变化而变化,在一个交流输入电压周期内,电路大部分时间工作在Boost 整流模式,短时工作在不控整流模式。一台1 5kW 实验装置证实了理论分析结果。实验结果表明,提出的新型高频PFC 整流电路具有直流输出电压低、功率因数高、EMI 干扰小、体积小、噪音低、效率高等显著的优点。
关键词:功率因数校正;过调制;Boost
中图分类号:TM46
文献标识码:A 文章编号:1003 3076(2003)02 0068 04
1 引言
随着电力电子技术的不断发展,电源功率因数问题成为当今电源变换技术发展要解决的焦点问题之一。目前在单相功率因数校正方案上,一般采用基于不可控整流桥的有源功率因数校正方法。典型的应用范例有:B oost 方案和双脉冲方案。但它们都有各自的不足。Boost 方案的缺点有:1)直流侧输出电压高。在交流220伏输入条件下,直流侧输出电压一般接近400V,与不可控整流AC DC 变换电路相比,所有器件特别是电解电容器的耐压水平及维护等级都要高一个层次;2)由于功率开关器件始终工作在高频状态,开关损耗比较大,对电网存在高频电磁干扰(E MI)
[1]
。东芝公司提出一种采用双脉冲方
案的专利电路,该电路功率开关工作在100Hz 低频
状态,直流侧输出电压值相对较低。在交流220V 输入条件下,直流侧输出电压一般在300V 左右。其缺点有:1)电流波形正弦度低,低次谐波含量较大,功率因数只有0 92左右;2)要使输入电流波形完全连续,要求较大的电感量,增加了装置的体积与成本,且带来低频噪音
[2]
。
针对以上两种电路的优缺点,文献[3]中提出一种单片机控制的电流跟踪型PFC 电路,引入了调制比的概念,实现了较高的功率因数和低的直流输出电压。但功率开关也工作在低频状态,有一定的低
频噪音且输入电抗器有较大体积,单片机也增加了装置的复杂性和成本。
本文在以上分析基础上,提出了一种基于过调制原理的高频PFC 控制方案,与已有方案相比,其性能价格比有了很大提高。
2 新型高频PFC 整流电路
2 1 电路工作原理
该电路原理图如图1所示。主电路为典型的Boost 整流电路拓扑结构,由整流桥、电感L 、开关V 、二极管D 和电容C 0组成。C 1、C 2为滤波电容。
图1 新型高频PFC 整流电路Fig.1 Novel high frequency PFC rectifier
控制电路为电压电流双闭环调节,采用平均电流控制法。电压外环由PI 调节器和乘法器组成。输出电压经R6,R7分压后所得信号与电压给定信号的误差经PI 调节器积分放大后送入乘法器,再与输入电压经R4,R5分压后所得基准正弦波信号相乘,作为内环电流瞬时值反馈控制的电流给定信号。电流内环由PI 调节器组成。电流采样和乘法器输出的电流给定信号的误差经PI 调节器积分放大后与高频三角波载波信号比较后得到开关控制脉冲信号。
与一般Boost 整流电路输出电压给定信号为恒定值不同的是,这里的输出电压给定信号采用交流输入电压整流后经R1,C3,R2,C4,R3阻容网络二阶滤波后所得的分压信号。因此,与B oost 整流电路输出电压恒定不同,该电路输出电压随输入电压变化而变化,与不控整流电路类似。
一般在逆变系统中,可以采用过调制原理以提高输入直流电压利用率。本文将过调制原理应用到PFC 整流电路中,实现了低的直流输出电压。
根据SPWM 理论,一个PWM 整流器可看成是一个功率放大器,它将调制信号成正比地放大为功率信号,调节调制信号的幅值与相位就可以对整流器交流侧基波电压的幅值与相位进行控制,从而控
制整流器的功率流向和功率因数角[4]
。设电网电压有效值U in ,整流器直流输出电压U o ,整流器交流侧基波电压与电网电压的相位差为 ,正弦波调制波的幅值V ~m ,三角波载波信号幅值V m ,则根据SPW M 调制规律,调制比:
m =
2U in (U o cos )=V ~m V m
(1)
可见当正弦波调制波的幅值V ~m 大于三角波载波信号幅值V m ,即调制比m >1时,能够实现U o <2U in ,即直流输出电压低于交流输入电压峰值。
考察调制比m >1时电路工作状态:在电流内环PI 调节器输出信号与高频三角载波比较时,在调制波瞬时值小于高频载波幅值的时间区间,比较器
输出高频开关脉冲信号,控制开关管工作,使输入电流跟踪正弦波形;而在调制波瞬时值大于高频载波幅值的时间区间,(这段时间区间对应于交流输入电压大于直流输出电压的时间区间),比较器不输出开关脉冲信号,开关保持关断,输入电流直接由电网经整流桥、电感和二极管送入负载,等效电路如图2所
示,它可以看作是有电感滤波的不控整流状态。期
间,由于开关不工作,因此无开关损耗,且不会对电网产生高频E MI 。
可见,该电路有两个分时段工作模式:在交流输
入电压每半个周期内,在交流输入电压大于直流输出电压时段,开关保持关断,电路工作在不控整流模式;而在其它时间段,输入电流跟踪正弦波形,电路工作在Boost 整流模式。在整个电压周期内,输入电流是保持连续的。
图2 开关保持关断时等效电路Fig.2 Eq uivalent ci rcuit when the switch shuts off
2 2 输出电压参考信号的获得
设正弦电源基波角频率 1,输入电流最大值I m ,开关频率f s ,电感L ,负载电阻R o ,输出电容C o 。
由电路工作稳态关系可得:输出电压[5]
u d =
U in m I m R o
2+(U in m I m )2
+(I 2
m L 1)
2
4u d(0) 1C o
sin 2*
1t + 2-12
!
(2)!=arctg
I m L 1U inm
(3)
输出电压中含直流分量u d(0)=
U inm I m R o
2
和两倍于网频的交变分量(U in m I m )2
+(I 2m L 1)
2
4u d(0) 1C o
,
该交变分量的相移角为
2-1
2arctg I m L 1U inm
,即大约为90!。
为了保证随交流输入电压的波动,直流输出电压始终低于交流输入电压峰值,输出电压给定信号必须随交流输入电压的变化而变化。因此输出电压给定信号采用交流输入电压整流后经R1,C3,R2,C4,R3阻容网络二阶滤波后所得的分压信号。既能得到较快的输入电压动态响应,又能充分衰减交流输入电压的2次谐波分量[6]
。
可推导出该滤波网络传递函数为:
69第2期朱士海,等:一种新型高性能功率因数校正整流电路
G (s )=
1
R 1R 2C 3C 4S 2
+
R 1+R 1R 2R 3C 3+(R 1+R 2)C 4S +
R 1+R 2+R 3
R 3
(4)
选取截止频率f c =15Hz,可由下式确定电容大小:
C 3=
1
2 f c R 2
C 4=1
2 f c R 3
(5)
本设计中,取R 1=910k ∀,R 2=36k ∀,R 3=10k ∀,C 3=0 47#F,C 4=1#F 。该滤波电路对交流输入电压整流后的2次谐波产生的相移大约为180o 。高频PFC 电路输入电流干扰的主要来源之一
注入到反馈环的输出电压纹波和注入到前馈环的输入电压谐波。为减小乘法器输出的基准正弦波信号的畸变,输出电压采样信号采用了R6,R7和C5分压滤波电路,能够在原来输出电压对交流输入电压整流后的2次谐波90!相移的基础上再增加相移,从而使输出电压采样信号与输出电压给定信号的幅值和相位一致,可以确保输入电流畸变的最小化[7]
。
2 3 输入电感的设计为使电路工作在连续电流模式(CC M)下,则L
应满足[5]
:
L ∀
2U in 2I m f s
(6)
由于直流输出电压低于交流输入电压的峰值,在交流输入电压大于直流输出电压时段,整流电路
的功率开关管关断,输入电流直接由电网经整流桥、电感和二极管送入负载,输入电流会在此时不能跟踪正弦波形,产生一定的过冲。因此该电路的功率因数略小于完全跟踪的CCM B oost PFC 整流电路。由图2可得:
L
d i
d t =2U in sin t -u co C d u co d t =i L -u co R o
(7)
由上式可解得电感电流表达式。由于输出电容C O 足够大,可以认为在这一时间段,直流输出电压近似不变,为了计算简便,可由下式得到开关管保持关断时输入电流过冲的大小:
∃I =
#
t 2
t 1
2U in sin t -U o
L
d t
(8)
t 1、t 2为u in =U o 时刻。可见增大电感量,可以减小∃
I 。例如本设计中,交流输入电压有效值220V,频
率50Hz,直流输出电压平均值300V,电感L=2mH,
输出电容C o =2000#F,可计算得∃I ∃6A 。考虑电源内阻和电感电阻等因素,实际∃I 要小于计算结果。因此在设计电感时,电感电流额定值要留有一定的余量。
3 实验结果
按图1所示电路进行实验。电路参数为电感L =2m H,输出电容C o =2000#F,开关频率30kHz,负载电阻R o =80∀,调制比m =1 1。电源电压有效值220V,频率50Hz 。设定直流输出电压300V 时实验结果如下:
交流输入电压和输入电流波形如图3所示。
图3 交流输入电压和输入电流波形Fig.3 AC inp ut vol tage and current waveforms
从输入电流波形可看出,在接近峰值时段,由于开关保持关断,电流有一个过冲的阶段。而在其它时间段,输入电流跟踪正弦波形。
输出电压平均值为300V,低于交流输入电压峰值。
开关控制脉冲信号如图4所示。图中阴影部分为高频开关控制脉冲信号。从图中可见,在半个网频周期内,约有3ms 时间段开关保持关断,这减小了开关损耗,提高了变换器效率,同时减小了对电网的E MI 干扰。
实验测得功率因数0 994,输入电流总谐波失真度(THD)10 3%,输入功率1 167kW,输出功率1 125kW,效率96 4%,高于普通Boost PFC 整流电路94 3%的效率[8]
。
若降低直流输出电压设定值,由式(8)可见,开关保持关断的时间将增加,电流过冲∃I 也增加,输入电流THD 增加,功率因数下降。例如设定直流输
70 电工电能新技术
第22卷
图4 开关控制脉冲信号Fig.4 Switch s control pulse signals
出电压285V 时,实验测得输入电流THD 为13 5%,功率因数0 991。
该电路在输入电压170V~260V 范围内,功率因数可达0 99以上;直流输出电压始终低于交流输入电压峰值,且直流输出电压波动小,对负载以及交流输入电压的突变有着快速的动态响应能力。
4 结论
本文提出了一种基于过调制原理的新型高频PFC 控制方案。该方案的优点是:1)直流输出电压始终低于交流输入电压峰值。因此可以使用耐压低的输出电容,降低了体积和成本,同时减轻了后级变换的压力。2)功率开关在工频周期的大部分时间工作在高频状态,输入电流能跟踪交流输入电压波形。功率因数有较大提高;电感器的体积、噪音大为减小。3)在每半个工频周期内,有一小段时间功率开关停止工作,减小了整流电路对电网的高频E MI,同时提高了开关变换器的效率。该新型高频PFC 整流电路可广泛应用于要求有较高性能价格比的家电
领域,如变频空调,变频冰箱,变频洗衣机等。参考文献(References):
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A novel high performance PFC rectifier
Z HU Shi hai,W U Wei min,QIAN Zhao ming
(Zhejiang University Po wer Electronics Institute,Zhejiang Hangzhou 310027,China)
Abstract :Analysis of two different PFC control techniques commonly used in variable frequency air conditioners shows their advantages and disadvantages.A novel PFC control method based on over modulation is proposed.The DC output volta ge reference signal changes with the AC input voltage.In every AC input voltage period,the circuit has two working modes,with long time in Boost rec tifier mode and short time in no control mode.Analysis results are verified by a 1.5kW e xperiment prototype.The experiment results sho w that the proposed ne w PFC rectifier has remarkable merits such as low DC output voltage,high power factor,lo w E MI,small size,low noise and high efficiency as compared with the
(下转第75页,cont.on p.75)
71第2期朱士海,等:一种新型高性能功率因数校正整流电路
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C ++6.0network programming )[M].北京:人民邮电出版社(Beijing:Posts &T elecom Press),2000.
Communication and control between computer and inverter based on the Ethernet
MIAO Bo tao,SUN Xu dong,ZHANG Yang,LI Fa hai
(Dept.of Electrical Engineering,Tsinghua University,Beijing 100084,China)
Abstract :DSPs are widely applied as c ontrollers of high performance inverters.This paper designs a ne w me thod based on the E thernet,which can realize the communication between inverters and computers under the TC P IP protocol.It greatly improves the efficiency of developing the DSP programs,and can monitor the inverters in real time.It has advan tages of low cost and simple operation.Both of the software and hardware can be easily extended.
Key words :Ethernet;inverter;DSP;communication
(上接第37页,cont.from p.37)
Research of a novel two switches 3 phase PFC circuit
C AO Jian an,PEI Yun qing,WANG Zhao an,ZH UO Fang,DONG Xiao wei (Dept.of Electrical Engineering,Xi an Jiaotong University,Xi an 710049,China)
Abstract :One of the 3 phase 4 wire PFC topology with dual switches is developed and it can (1)improve the po wer fac tor of the power electronics devices and decrease the harmonic pollution to power ne t so as to approach or to meet some har monic standard;(2)simplify the devices and reduce their cost.The paper introduces the principle and controlling method about this topology and presents the results of its simulation.Key words :dual switches;3 phase 4 wire;PFC;harmonics;simulation
(上接第63页,cont.from p.63)
and communication applications.Self Driven Synchronous Rectification (SDSR)is an a ttractive means to provide high ef ficiency and circuitry simplification in these low po wer converters.But in traditional self driven approaches,it is neces sary to add complex logical control circuits to maintain the SRs on when the voltage in the transformer winding is zero.In order to overcome this pitfall,a novel Single Winding Self Driven scheme for Synchronous Rec tification (SWSDSR)is proposed in this paper.It works properly in topologies that drive the transformer symmetrically.A prototype of 2.5V out put symmetrical half bridge converter is built with the verification of the analysis and design given in this paper.Key words :converter;low voltage high current;synchronous rectification (SR);single winding self driving (SW SD
SR);symmetrical half bridge
(上接第71页,cont.from p.71)
conventional PFC control techniques.The proposed ne w high performance high frequency PFC rectifier can be commonly used in home appliances such as variable frequency air conditioners,variable frequency refrigerators and variable fre quency washing machines.
Key words :PFC;over modulation;boost
75第2期缪波涛,等:基于网络的计算机与变频器的通讯及控制下载本文
