电流型全桥单级APFC变换器及其关键技术

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作者孟涛著

出版社科学出版社

ISBN9787030531094

出版时间2017-07

装帧平装

开本16开

定价89元

货号1201563145

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商品详情

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商品描述: 目录
前言
第1章绪论1
1.1引言1
1.2APFC技术的分类2
1.2.1APFC技术的分类方式2
1.2.2两级APFC与单级APFC3
1.3典型的单级APFC变换器拓扑4
1.3.1单相单级APFC变换器拓扑4
1.3.2三相单级APFC变换器拓扑7
1.4电流型全桥Boost拓扑的研究概况11
1.4.1电流型全桥Boost拓扑及其特点11
1.4.2电流型全桥Boost拓扑存在的问题及其解决方法12
1.5本书内容概述16
第2章电流型全桥单级APFC变换器拓扑结构与工作原理18
2.1引言18
2.2单相电流型全桥单级APFC变换器18
2.2.1变换器拓扑结构与基本工作原理18
2.2.2DCM时的工作原理19
2.2.3CCM时的工作原理22
2.3三相电流型全桥单级APFC变换器24
2.3.1变换器拓扑结构与基本工作原理24
2.3.2功率因数校正机理与电流断续条件25
2.3.3输入电流的谐波分析与抑制策略30
2.3.4仿真与实验验证34
2.4本章小结38
第3章变压器原边电压尖峰的产生机理及其箝位方法39
3.1引言39
3.2变压器原边电压尖峰的产生机理39
3.2.1电压尖峰产生机理分析39
3.2.2仿真与实验验证41
3.3变压器原边电压尖峰的有源箝位方法43
3.3.1电路结构与工作原理43
3.3.2软开关设计与实现49
3.3.3实验验证51
3.4变压器原边电压尖峰的无源箝位方法52
3.4.1电路结构与工作原理52
3.4.2电压尖峰抑制能力分析56
3.4.3实验验证59
3.5本章小结61
第4章基于无源缓冲方式的电压尖峰抑制方法62
4.1引言62
4.2单LC谐振无源缓冲的电压尖峰抑制方法62
4.2.1电路结构与工作原理62
4.2.2缓冲电路的参数分析与设计71
4.2.3实验验证73
4.3双LC谐振无源缓冲的电压尖峰抑制方法75
4.3.1电路结构与工作原理75
4.3.2缓冲电路的参数分析与设计80
4.3.3实验验证82
4.4改进型单LC谐振无源缓冲的电压尖峰抑制方法84
4.4.1电路结构与工作原理84
4.4.2缓冲电路参数的对比分析与设计92
4.4.3实验验证95
4.5本章小结100
第5章基于磁集成无源辅助环节的电压尖峰抑制方法101
5.1引言101
5.2基于耦合电感的双LC谐振无源缓冲电路101
5.2.1电路结构与工作原理101
5.2.2耦合电感的作用机理与设计要素106
5.2.3实验验证110
5.3基于耦合电感的多级无源箝位电路113
5.3.1电路结构与工作原理113
5.3.2多电感耦合的作用机理与设计要素119
5.3.3箝位电路级数的影响机制分析123
5.3.4实验验证126
5.4基于变压器集成的反激式无源辅助环节128
5.4.1电路结构与工作原理128
5.4.2反激式集成变压器的作用机理与结构设计134
5.4.3辅助环节的参数分析与设计136
5.4.4实验验证139
5.5本章小结142
第6章APFC变换器的起动方法143
6.1引言143
6.2变换器的起动过程143
6.2.1变换器的起动过程分析143
6.2.2变换器恒占空比起动的仿真与实验结果146
6.3变换器的有损起动方法147
6.3.1变换器的有损起动方法分析147
6.3.2变换器有损起动方法的仿真与实验结果148
6.4基于Buck模式的单相APFC变换器起动方法150
6.4.1基于Buck模式起动的工作机理150
6.4.2输入过流抑制能力分析157
6.4.3起动参数分析162
6.4.4仿真与实验验证165
6.5基于Flyback模式的单相APFC变换器起动方法168
6.5.1起动方法的基本原理168
6.5.2起动过程分析170
6.5.3关键参数分析与设计173
6.5.4实验验证175
6.6基于Flyback模式的三相APFC变换器起动方法177
6.6.1起动方法的基本原理177
6.6.2工作过程分析178
6.6.3关键参数分析与设计182
6.6.4实验验证186
6.7本章小结188
第7章单相APFC变换器变压器偏磁机理及其抑制方法189
7.1引言189
7.2变压器偏磁机理分析189
7.2.1传统全桥电路的偏磁机理189
7.2.2单相电流型全桥单级APFC变换器变压器偏磁机理分析190
7.3基于死区调节的变压器偏磁抑制方法192
7.3.1变压器偏磁抑制的基本原理192
7.3.2变压器偏磁抑制工作机理分析195
7.3.3其他因素导致的变压器偏磁抑制能力分析197
7.4实现方案及关键参数分析200
7.4.1积分复位电路设计200
7.4.2死区影响分析201
7.5实验验证203
7.6本章小结205
第8章基于辅助环节的单相APFC变换器输出电压纹波抑制策略207
8.1引言207
8.2单相电流型全桥单级APFC变换器输出电压纹波的影响因素分析207
8.3基于反激式辅助环节的单相APFC变换器209
8.3.1电路结构209
8.3.2主电路工作原理210
8.3.3辅助环节工作原理214
8.4基于反激式辅助环节的输出电压纹波抑制策略215
8.4.1纹波抑制原理215
8.4.2补偿电流设计217
8.5辅助环节功率分析219
8.5.1箝位电容输入功率219
8.5.2辅助环节输出功率220
8.5.3箝位电容影响规律分析224
8.6实验验证225
8.6.1辅助环节控制方案225
8.6.2实验结果分析226
8.7本章小结230
参考文献231

内容摘要
本书以电流型全桥单级APFC变换器的研究为主要内容，在介绍其基本工作原理的基础上，主要围绕该类变换器存在各种关键问题(上述问题①~④)的产生机理与解决方法进行深入的研究。靠前章对电流型全桥单级APFC技术的研究意义与研究现状进行综述。第2章主要介绍单相、三相电流型全桥单级APFC变换器的拓扑结构与基本工作原理。第3~5章主要针对电流型全桥单级APFC变换器的电压尖峰抑制问题进行分析。第6章对该类APFC变换器的起动问题进行分析与研究。第7章研究该类单相APFC变换器变压器的偏磁机理与抑制方法。第8章研究一种基于辅助环节的该类单相APFC变换器的输出电压纹波抑制方法。

精彩内容
    靠前章绪论
    1.1 引言
    随着科学技术的发展，电力电子装置在国民生产、生活中得到了越来越广泛的关注和应用。其中，常规的用于电力电子设备前端的整流装置普遍采用的是电容滤波型桥式结构，当电路达到稳态后，晶闸管或二极管整流器件的导通角远小于180°，造成虽然交流侧输入电压是正弦的，但输入电流却发生了严重的失真，波形畸变为幅度很大的窄脉冲电流。测试表明，这种畸变的电流含有丰富的谐波成分，谐波的存在就会使功率因数降低到0.6左右[1-3]。
    大量的谐波成分造成了电网的“污染”，并主要表现在以下几个方面[4]。
    (1) 谐波电流的“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成的谐波压降反过来使电网电压波形也发生畸变。
    (2) 谐波电流引起电路故障，损坏设备，如使线路和配电设备过热，引起电网LC谐振，或者高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过热而损坏。
    (3) 三相四线制电路中，三次谐波在中线中的电流同相位，合成中线电流很大，可能超过相电流，中线又无保护装置，使中线因过热而引起火灾并损坏电气设备。
    (4) 谐波电流对自身及同一系统中的其他电子设备产生恶劣的影响，如引起电子设备误操作、电话网噪声和照明设备故障等。
    针对谐波的危害，从1992年起靠前上开始以立法的形式限制高次谐波。一些世界性的学术组织或国家相继颁布或实施了一些对输入电流谐波的限制标准，如IEC555-2、IEEE519、IEC1000-3-2等。我国国家质量监督检验检疫总局在1993年颁布了国家标准GB/T14549—1993《电能质量公用电网谐波》。靠前电工委员会(International Electrotechnical Commission，IEC)于1998年对谐波标准IEC555-2进行修正，另外制定IEC61000-3-2标准，对不同的用电设备制定了相应的谐波限制标准。这些标准要求用电设备必须满足其谐波要求，将用电设备对电网的污染限制在能够接受的范围内[5-8]。
    解决用电设备谐波污染的主要途径有两种：①增设电网补偿装置(有源滤波器和无源滤波器)以补偿电力电子设备、装置产生的谐波；②改造电力电子装置本身，使之不产生或产生很小的谐波，即功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)。二者相比较而言，后者是更积极的方式[9，10]。
    PFC技术包括无源和有源两种类型[11，12]。
    无源功率因数校正(Passive Power Factor Correction，PPFC)技术是通过在二极管整流电路中增加电感和电容等无源元件，对用电设备的输入电流进行移相和整形，以降低其电流谐波含量，提高功率因数。PPFC技术具有简单可靠、无须控制和电磁干扰(Electro Magnetic Interference，EMI)小的优点。然而，随着人们对谐波抑制装置要求的不断提高，该技术的缺点也日渐突出，主要表现在[13]：①采用低频电感和电容进行输入滤波，体积较大，而且难以得到很高的功率因数(一般可提高到0.9左右)，在有些场合无法满足现行谐波标准的限制；②抑制效果随工作条件(如工作频率、负载、输入电压等)的变化而变化；③如产生的谐波超过设计参数的情况时，会造成滤波器过载或损坏；④滤波电容上的电压是后级DC/DC变换器的输入电压，它随输入交流电压和输出负载的变化而变化，这个变化影响了DC/DC变换器的性能。因此，PPFC技术主要应用于功率等级相对较小、对体积和重量要求不高的场合。
    随着电力电子技术的发展，PFC技术已经从早期的由大容量电感、电容组成的PPFC技术发展到有源功率因数校正(Active Power Factor Correction，APFC)技术。APFC技术从20世纪80年代中后期开始成为电力电子领域的研究热点，自20世纪90年代以来得到了迅速推广。它直接采用有源开关或AC/DC变换技术，使输入电流成为和电网电压同相位的正弦波，这种方法可以得到较高的功率因数(接近1)，总谐波畸变小。APFC电路工作于高频开关状态，可以在较宽的输入电压范围内和宽带下工作，具有体积小、重量轻、输出电压恒定等优点，并且效率明显高于PPFC电路[14-16]。目前APFC技术已经成为电力电子技术领域的一个重要课题和研究方向[17-20]。
    APFC技术按电路结构不同可以分为两级型和单级型。两级型APFC的靠前级为PFC电路，第二级是DC/DC变换器，这种方式的PFC效果好，但电路复杂、效率相对较低；单级APFC将PFC环节和DC/DC变换环节集成，共用一个控制器，具有结构简单、成本低、效率高等优点，符合电力电子技术的发展要求[21]。目前，单级APFC技术主要应用于小功率领域，而在中、大功率领域的应用还有待其在拓扑结构和控制策略等方面获得进一步的发展与突破[22]。
    基于以上分析，为了有效地提高电网电能质量和电能利用率，加强适合于中、大功率领域应用的单级APFC技术的研究是十分必要的。
    1.2 APFC技术的分类
    1.2.1 APFC技术的分类方式
    APFC技术的分类方式有多种，其中很基本的分类方式为以下四种[23-29]。
    (1) 按不同电路拓扑结构来分类。理论上各种DC/DC变换器的拓扑形式都可以用来作为APFC的主电路，但根据不同的拓扑形式，其用于APFC电路的特点不同，典型的APFC主电路拓扑主要有升压(Boost)型、降压(Buck)型和反激(Flyback)式三种。
    (2) 按电网供电方式不同来分类，可分为单相APFC和三相APFC。
    (3) 按电路结构不同来分类，可分为两级APFC和单级APFC。
    (4) 按工作原理不同来分类，可分为乘法器型APFC和电压跟随器型APFC。
    除了以上四种基本的分类方式，常用的还有以下的一些分类方式。
    根据电路软开关特性的不同，APFC技术可分为两类，即零电流开关(Zero Current Switch，ZCS)APFC技术和零电压开关(Zero Voltage Switch，ZVS)APFC技术。如按实现软开关的具体方法，每一种APFC技术还可以进一步分为并联谐振型、串联谐振型以及准谐振型[30，31]。
    按照控制方式的不同，APFC技术一般可分为电压跟踪控制和直接电流控制两大类，其中，直接电流控制是目前应用很为广泛、技术很为成熟的APFC控制技术。如按输入电流控制方式的不同，采用直接电流控制的APFC还可以进一步分为峰值电流控制、滞环电流控制和平均电流控制三种模式[32-36]。近年来，随着APFC技术的快速发展，各种新型控制方式层出不穷，如单周期控制、空间矢量调制、无差拍控制、滑模变结构控制等，已陆续地应用于APFC技术中，并取得了一定的效果[37-49]。
    另外，还有磁放大APFC技术、三电平APFC技术和不连续电容电压模式APFC技术等。
    1.2.2 两级APFC与单级APFC
    典型的两级结构APFC变换器(这里以单相变换器为例)的结构如图1.1(a)所示，它由PFC电路和DC/DC功率变换器级联而成。靠前级的PFC电路可采用Boost或Buck-Boost等拓扑形式，中间母线电压一般稳定在400V左右(就单相APFC变换器而言)；第二级完成输出电压的隔离、电压变换(一般为降压)和稳定作用，与靠前级电路相对独立，可以根据需要采用DC/DC变换器的各种拓扑形式。这种结构具有各级可以单独分析、设计和控制以及通用性较好等优点，但由于它是以附加功率级为条件换取了高功率因数，并且其功率级需处理全部的负载能量，所以这种结构的缺点是元件多、成本高、效率低。但由于第二级可由若干个不同的DC/DC变换器模块构成，所以适合在分布式电源系统中应用。
    图1.1(b)所示为单级结构APFC变换器(以单相变换器为例)，图中的DC/DC变换器可以采用Boost、Buck-Boost等各种电路拓扑形式。因为PFC和输出电压变换全部由一级电路完成，所以具有结构简单、效率高等优点。单级APFC电路控制简单、成本较低，但就功率因数和谐波特性来说，目前不如两级APFC电路好[50-55]。
    (a)两级APFC变换器
    (b)单级APFC变换器
    图1.1 两级APFC变换器与单级APFC变换器
    1.3 典型的单级APFC变换器拓扑
    1.3.1 单相单级APFC变换器拓扑
    20世纪90年代初，美国科罗拉多大学的研究人员将两级APFC的功率级Boost电路和DC/DC变换级的反激(Flyback)或正激(Forward)电路的开关管共用，两级电路被整合为一级，提出了基于正激式或反激式结构的单相单级APFC变换器。与传统的单相两级APFC变换器相比，单相单级APFC变换器的整个系统结构更加简单[56]。
    随着相关研究的不断深入，其他DC/DC变换电路逐渐被应用于单级APFC技术中，并出现了许多新的单相单级APFC变换器的结构。典型的结构如：基于Cuk结构的单相单级APFC变换器、基于半桥结构的单相单级APFC变换器、基于全桥结构的单相单级APFC变换器等[57-60]。
    1．正激式单相单级APFC变换器
    正激式单相单级APFC变换器是结合传统DC/DC变换中的正激式电路与基于Boost的APFC电路提出的，如图1.2所示。该电路具有较高的功率因数，电路结构简单，并且效率较高[61]。
    图1.2 基于正激式结构的单相单级APFC变换器
    然而，正激式单相单级APFC变换器存在一些缺点限制了它的应用：在不使用其他辅助措施的前提下，其开关管的开关方式为硬开关，影响了系统的效率；当开关管关断时，其高频变压器磁芯具有剩磁，因此必须添加磁复位电路来防止变压器磁芯饱和；电路中变压器的磁芯单向磁化，磁芯利用率低，在中、大功率领域的应用受到限制。因此，正激式单相单级APFC变换器一般只应用于小功率领域。
    在实际应用中，可以对图1.2中的正激式单相单级APFC变换器进行改进，进一步提高其性能，如增加有源箝位电路来为高频变压器提供磁复位，并且能够辅助主电路开关管实现软开关。
    2．反激式单相单级APFC变换器
    反激式单相单级APFC变换器是结合传统DC/DC变换中的反激式电路与基于Boost的APFC电路提出的，典型的反激式单相单级APFC变换器如图1.3所示。
    图1.3 基于反激式结构的单相单级APFC变换器
    反激式单相单级APFC变换器具有较高的功率因数，电路结构简单，且效率较高，与传统的反激式DC/DC变换器相同，反激式单相单级APFC变换器同样能够用于多路输出的场合[62-64]。
    然而，反激式单相单级APFC变换器存在的一些缺点限制了它的应用：开关管承受的电压应力较大；高频变压器工作在靠前象限，磁芯利用率低，限制了变换器功率等级的提高；在不使用其他辅助措施的前提下，其开关管为硬开关，开关损耗较大；此外，由于结构上的限制不能空载运行，且输出电压纹波较大，反激式单相单级APFC变换器与正激式单相单级APFC变换器类似，一般仅适合小功率场合应用[65，66]。
    3．隔离型Cuk单相单级APFC变换器
    基于隔离型Cuk结构的单相单级APFC变换器是结合传统DC/DC变换中的Cuk电路与基于Boost的APFC电路提出的，其典型结构如图1.4所示。基于隔离型Cuk结构的单相单级APFC变换器是在Cuk电路的基础上通过增加隔离变压器来实现单级功率因数校正。该变换器与Cuk型DC/DC变换电路相同：由于输入、输出端都具有电感，所以能够实现输入、输出电流连续；变换器中的隔直电容能够有效抑制变压器的偏磁问题[67]。