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1、ii?饥z伉揺滨江学院学年论文题 目 峰值电流控制的单相BOOST PFC变换器工作原理分析院 系滨江学院A专 业电气工程与自动化学生姓名徐小松学 号 061指导教师毛鹏职 称讲师二0年二月十八日峰值电流控制的单相 BOOST PFC 变换器工作原理分析徐小松南京信息工程大学滨江学院电气工程与自动化，南京 210044摘要：传统的电压型控制是一种单环控制系统，是一种有条件的稳定系统。因而出现了双环控制系统即电流型控制系统。从 原理、应用方面系统地论述了单相PFC变换器中电流型控制的发展，阐述了各种控制方法的优缺点。峰值和平均电流型控制 是单相 PFC 中应用最频繁的两种电流控制方法。因而对这两
2、种方法的讨论得出一些结论。关键词：BOOST变换器，功率因数PFC，峰值电流控制，平均电流控制1 引言峰值电流模式控制简称电流模式控制。它的概念在60 年代后期来源于具有原边电流保护功能的单端 自激式反激开关电源。在70 年代后期才从学术上作深入地建模研究。直至80 年代初期，第一批电流模式 控制PWM集成电路（UC3842、UC3846）的出现使得电流模式控制迅速推广应用，主要用于单端及推挽电 路。近年来，由于大占空比时所必需的同步不失真斜坡补偿技术实现上的难度及抗噪声性能差，电流模式 控制面临着改善性能后的电压模式控制的挑战。误差电压信号送至PWM比较器后，并不是象电压模式那 样与振荡电路
3、产生的固定三角波状电压斜坡比较，而是与一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角 状波形或梯形尖角状合成波形信号Uf匕较，然后得到PWM脉冲关断时刻。因此（峰值）电流模式控制不是 用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度，而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小，然后间接地控制P WM 脉冲宽度。2 Boost 变换器及其工作原理|工程中常用的升压（Boost）变换器的原理图如图1所 示6,其中Vi为输入直流电源，Q为功率开 关管，在外部脉冲信号的激励下工作于开关状态，Q导通，输入电流流经电感L和开关管Q,电感L储能；开关管Q截止时，二极管D导通，直流电源Vi和电感L同时向负载R供电，输入电流经电感L
4、、二极管D 流向负载R，同时给电容C充电，电感L释放能量，在理想情况下，该电路输出电压：(out)Vi亠.Q+ VoutRM图 1 BOOST 变换器式中D为Boost变换器的占空比，因为占空比DVi，故称升压式换器。Boost变换 器的工作模式分为电 感电流连续工作模式（CCM）和电感电流断续工作模式（DCM），所不同的是电流 断续模式比电流连续模式多出一个电感电流为零的工作状态。Boost变换 器的工作状态如图2所示。ViLI口 jVout VidRVout（a开关状态（Q导通）（b开关状态（Q关断）（“开关状态（电感电流为零）图 2 BOOST 变换器的工作状态【3 PFC 变换器的工作
5、原理及实现方法PFC 变换器工作原理分析首先给出相关术语的基本定义：功率因数（PF）是指交流输入有功功率（P）与输入视在功率（S）的比值。即PS 二VI cos0-1VI1 rmsI cos0二 Irms=丫 cos 0式中： I1 表示输入基波电流有效值I表示输入电流有效值rmsy i1 表示输入电流失真系数rmscos 0 表示基波电压与基波电流之间的相移因数所以功率因数可以定义为输入电流失真系数（y）与相移因数（cos0）的乘积。可见功率因数（PF）由流失真系数（y ）和基波电压与基波电流之间的相移因数（COS0 ）。cos0低则表示用电电器设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕
6、组损耗大。同时，电流失真系数y值低，则表示输入电流谐波分量大，将造成输入电流波形失真，对电网造成污染2。功率因数与总谐波失真系数（THD）的关系: V I cos 0I cos 0 I cos 0PF 1s vi i1 rmsrms乙 I 21 n2)rmsTHD=n21江123)4)1 + TDH 2PF cos 0v1 + TDH 2因此，提高功率因数可以大大减少输入线路的谐波失真，提高电源的利用率。功率因数校正的实现方法功率因素的定义，PF =丫 cos0可知，要提高功率因素有两个途径：1.使输入电压、输入电流同相位。此时COS0 = 1, PF =丫。2使输入电流正弦化。即I二I （谐
7、波为零），有I/I二1即PF =Y cos0= 1rms11 rms从而实现功率因数校正。利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪输入电压 波形，使输入电流波形成正弦波，并且和输入电压同相位4峰值电流控制的PFC BOOST变换器的工作原理基于峰值电流控制的PFC BOOST变换器的电路框图如图3所示。OUT图3基于峰值电流控制的BOOST PFC变换器原理图【为实现PFC功能与输出电压的稳定调节，图中u为正弦交流输入电压，其幅值为u，周期为T,角频率为， imi为流过电感L的电流,u为电容C两端电压；i 为i的参考电流；u 为桥式整流输出电压；u为u refinref的参考电压；P
8、和P分别为输入电压前馈增益和输出电压反馈误差增益；开关管s的占空比为d时钟脉 ve冲周期为T。控制电路由2个闭环组成，在电流内环，电感电流i和参考电流i比较后作为开关管S的sref控制信号。在稳态时，输出电压是脉动很小的直流电压，而参考电流由输入电压采样信号和输出电压误差 信号的乘积提供，因此参考信号是正向半波正弦信号。当电流内环控制电感电流跟踪参考电流变化时，就 可以使系统达到近似单位功率因数。电压外环的主要作用是减少输出电压纹波，保持输出电压稳定。根据 开关管S与二极管D的工作状态，得到变换器的3中工作模式为；工作模式1,当S导通与D关断，此时有di u . m sin w tdt L,d
9、u 1 Udt RC工作模式2,当S关断与D导通，此时有 di 1 一 u .一一U + m sin w t dt L Ldu i udt c RC工作模式 3，当 S 关断与 D 关断，此时电感电流为零，所以有i0，duudtRC-b u b为系统的状态变量，那么可以重写上t t tdn W n+1式中，w =2吋，t是电源角频率，为了简化表达式，令x 面的等式为x Ax + B U C)1 1 inX A x + B U C)2 2 in上式中RCL1RC系统输入电压u C)= U |sinOt，因此峰值电流控制下的PFC变换器是一个周期性分段平滑非线性系统。 in m5 峰值电流检测与平
10、均电流检测在电流型变换器中由平均电感电流产生一个误差电压，这个平均电感电流可用一个电流源代替，并可 以降低系统的一个阶次。减小峰值电感电流与平均电流的误差电流模式控制是一种固定时钟开启，峰值电 流关断的控制方法。因为峰值电流在实际电路中容易采样，而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。 但是，电感电流与输出平均电流之间存在一定的误差，峰值电感电流的大小一一对应，因为在占空比不同 的情况下，相同的峰值电感电流可以对应不同的平均电感电流。而平均电感电流是唯一决定输出电压大小的因素。与消除谐波振荡的方法类似，利用谐波补偿可以去 除不同占空比对平均电感电流大小的影响，使得所控制的峰值电感电流最后收敛
11、与平均电感电流。在数学 上可以证明，将电感电流下谐波斜率的至少一半以上斜率加在实际检测电流的上斜波上，可以去除不同占 空比对平均电感电流大小的扰动作用，使得所控制的峰值电感电流最后收敛与平均电感电流。因而合成波 形信号要有斜波补偿信号与实际电感电流信号两部分合成构成。当外加补偿斜波信号的斜率增加到一定程 度，峰值电流模式控制就会转化为电压模式控制。6 结论本文详细分析了 BOOST变换器的基本原理和功率因数PFC的概念，知道峰值电流模式控制的系统稳定性好，响应速度快，实现也很容易，并且能够限制电路中的峰值电流，从而保护器件。知道了电感电流连续工作模式控制的峰值电流控制的BOOST PFC电路，
12、它主要应用于电源功率较高的场合。参考文献(1) 雷涛，林辉，张晓斌，峰值电流控制下PFC BOOST变换器的工作原理，西北工业大学自动化学院。(2) 基于PSpice软件的单相BOOST变换器的访真分析，来源：电源世界。(3) Rajesh Ghosh，G NarayananA Simple Analog Controller for Singlephase Half-bridge RectifierJIEEE Transon Power Electronics， 2007， 22(1)： 186198(4) 丁道宏.电力电子技术M.北京：航空工业出版社，1992.(5) A roudiA E
13、1,DebbatM,Giral in DC-DC Switching Converters:Review of Methods and Applications International Journal of Bifurcation and Chaos,2005,15(5),1549-1578Analysis of Peak current of single phase BOOST PFC converter operatingprincipleXuXiaoSongNanjing information engineering university electrical engineeri
14、ng and automation, nanjing 210044AbstractConventional voltage mode control is a single-loop control system is a system of conditionalled to a double-loop control systemthat the current control principle, the application of systematic analysis of single-phase PFC converters current-mode control of de
15、velopment, described the advantages and disadvantages of various control and average current-mode single-phase PFC control is the most frequent in the two current control the discussion of these two methods to draw some conclusions.Key word:BOOST converter,PFC power factor,Peak current control,Average current co
