高功率因数高效率多通道交错并联DCM Boost PFC变换器研究

摘要

随着电力电子技术的发展，AC-DC变换器等电力电子设备得到广泛使用，大量的非线性负载使网侧电流发生畸变，造成电流谐波污染。有源功率因数校正(Active Power Factor Correction, APFC)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)，解决谐波污染问题。在众多PFC变换器中，BoostPFC变换器的电感串接在输入端，对抑制输入电流高次谐波有显著的效果。但是，随着PFC变换器功率等级和功率密度的提高，单通道BoostPFC变换器已经无法满足使用需求。针对这一问题，本文研究了一种具有高功率因数高效率的多通道交错并联DCMBoostPFC变换器。　　本文在分析多通道交错并联DCMBoost变换器工作原理和工作特性的基础上，建立了多通道交错并联DCMBoost变换器的时间平均等效电路模型。利用时间平均等效电路模型进行直流稳态分析，进一步研究了变换器的电感值及其等效串联电阻(Equivalent Series Resistance，ESR)与通道间均流度的关系，并进行仿真验证。DCMBoost变换器各通道的电感值影响通道间的均流度，即各通道的电感值一致性越好，通道间的均流效果越好。　　基于传统DCMBoostPFC变换器的定占空比控制技术，本文讨论了多通道交错并联DCMBoostPFC变换器的定占空比控制原理，分析了其影响功率因数和导致输入电流畸变的原因。针对这一问题，基于定占空比控制，推导了交错并联通道数与占空比变化函数的表达式，揭示了交错并联通道数与占空比的关系，进而研究了其变占空比控制技术，分析并指出了变占空比控制的优势。与其定占空比控制相比，变占空比控制提高了功率因数，降低了电感电流峰值，减小了输出电压二倍工频纹波。　　本文分析了变占空比控制多通道交错并联DCMBoostPFC变换器的功率器件的电压应力和电流应力，给出了PFC电感和输出电容的设计准则，详细分析并推导了功率器件及无源器件各部分的损耗表达式，形成了损耗计算模型。基于损耗计算模型，通过分析交错并联通道数与变换器损耗的关系，研究了一种提高多通道交错并联DCMBoostPFC变换器效率的改进型变占空比控制技术。与其变占空比控制相比，改进型变占空比控制提高了变换器效率，且能实现较高的功率因数。　　最后，根据功率器件的电压和电流应力分析结果，以及PFC电感和输出电容设计准则，确定电路参数和器件选型，搭建了800W实验样机，实验验证了理论分析的正确性。

目录

声明

第1章绪 论

1.1 功率因数校正技术概述

1.1.1 功率因数与谐波畸变

1.1.2 谐波电流产生的危害

1.2 功率因数校正技术的发展及现状

1.2.1 无源功率因数校正技术

1.2.2 有源功率因数校正技术

1.2.3 Boost PFC变换器

1.3 交错并联技术

1.3.1 交错并联PFC变换器

1.3.2 交错并联PFC的优点和缺点

1.4 本文的研究意义及研究内容

1.4.1 研究意义

1.4.2 研究内容

第2章交错并联DCM Boost变换器

2.1 DCM Boost变换器

2.1.1 拓扑结构

2.1.2 工作原理

2.2 多通道交错并联DCM Boost变换器

2.2.1 拓扑结构

2.2.2 工作原理

2.3 时间平均等效电路建模

2.3.1 时间平均等效电路

2.3.2 建模分析

2.4 通道间均流问题分析

2.4.1 电感值的影响

2.4.2 电感ESR的影响

2.4.3 仿真分析

2.5 本章小结

第3章交错并联DCM Boost PFC的控制技术

3.1 定占空比控制技术

3.1.1 定占空比控制原理

3.1.2 定占空比控制存在的问题

3.2 变占空比控制技术

3.2.1 占空比变化函数

3.2.2 变占空比控制原理

3.3 变占空比控制的优点

3.3.1 功率因数

3.3.2 电感电流峰值

3.3.3 输出电压二倍工频纹波

3.4 仿真分析

3.4.1 通道间交错并联

3.4.2 功率因数

3.4.3 电感电流峰值

3.4.4 输出电压二倍工频纹波

3.5 本章小结

第4章提高交错并联DCM Boost PFC效率的控制技术

4.1 变换器主电路参数设计

4.1.1 电压应力

4.1.2 电流应力

4.1.3 PFC电感

4.1.4 输出电容

4.2 变换器损耗分析

4.2.1 整流桥二极管损耗

4.2.2 功率MOSFET损耗

4.2.3 续流二极管损耗

4.2.4 PFC电感损耗

4.2.5 输出电容损耗

4.3 提高轻载效率的控制方法

4.3.1 交错并联通道数与损耗分析

4.3.2 提高轻载效率的改进型变占空比控制

4.4 仿真分析

4.5 本章小结

第5章多通道交错并联DCM Boost PFC变换器实验分析

5.1 系统总体设计

5.1.1 设计指标

5.1.2 硬件平台设计

5.2 定占空比控制和变占空比控制实验结果

5.2.1 通道间交错并联实验结果与分析

5.2.2 定占空比控制实验结果与分析

5.2.3 变占空比控制实验结果与分析

5.3 改进型变占空比控制实验结果与分析

5.4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间取得的成果