基于单周控制的三相VIENNA的PFC电路研究与设计.doc

论文题目：基于单周控制的三相 VIENNA PFC电路研究与设计专 业：电力电子与电力传动硕 士 生：李 伟指导教师：张 刚(签 名)(签 名)摘 要由电力电子装置产生的大量谐波注入公共电网，不仅影响了供电质量、增加网损，而且严重时还可能造成设备工作异常，甚至损坏。使用功率因数校正 (Power FactorCorrection，PFC)技术把谐波污染控制在较小的范围内已是当务之急。三相 PFC 技术在解决电力公害方面起着十分重要的作用，已成为近年来研究的热点。本文概述了三相高功率因数整流器主电路拓扑结构的研究现状。总结了目前常用的三相有源功率因数校正拓扑和控制技术的种类及优缺点。在此基础上对单周控制的三相VIENNA结构功率因数校正进行了研究。首先对单周控制原理进行了研究，讨论了单周控制的基本原理及特点，以单周控制的 Buck 电路为例对其控制性能进行分析。其次分析了三相三开关三电平(VIENNA)拓扑的工作过程并对该拓扑进行了数学建模。根据以上原理，将单周控制应用于 VIENNA 结构 PFC 电路中，并将控制方案选为以电源管理芯片 IR1150S为核心的三积分方案。最后探讨了一台 2kW的单周控制的三相 VIENNA高功率因数整流器的设计过程，其中包括开关管、整流管、输出滤波电容等元器件参数的计算、设定及选型等工作，着重给出了输入电感和驱动变压器等磁性元件的选择依据和设计方法。该控制实现了无需乘法器和输入电压检测装置，并实现恒频的直接电流控制，控制简单，功率开关管少。对样机进行了实验验证，实验结果验证了该电路及控制方式的合理性和可行性，该样机输入电流能够很好的跟踪输入电压，输入功率因数较高，基本在 0.96以上。表明了该电路具有较强的实用性和优越性。关 键 词：功率因数校正；单周控制；三相 PFC；VIENNA整流器研究类型：应用研究 Subject :Research and Design on Circuit of Three Phase VIENNA PFC Based on One-cycle Control Specialty :Power electronic&Power drives Name : Li Wei (Signature)(Signature)Instructorl: Zhang Gang ABSTRACT With the increasing number of various electrical equipments, low power factor andharmonic pollution has become more and more serious. A large number of harmonics injectedinto the public grid generated by power electronic devices is affect the quality of power supply,an increase of the loss of grid, seriously, may also cause the device no working even damaged.Use of Power Factor Correction (PFC) technology to limit the harmonic pollution in thesmaller range is a priority. The three-phase PFC technology plays a very important role inaddressing the electricity nuisance, and has become a hot research in recent years.This paper introduces the status of the three-phase high power factor rectifier circuittopology, and summarizes the commonly used three-phase active power factor correctiontopology and control technology types and characteristics. Based on one-cycle control ofthree-phase power factor correction VIENNA structure are studied. The principle of one cyclecontrol was discussed the basic principles and characteristics, then buck circuit as an exampleof its control performance is analyzed. The mathematical model of VIENNA is established.According to the above principle, this paper describes one cycle control for VIENNA structurePFC circuit. The power management chip IR1150S is selected as the core of the threeintegration scheme in the control scheme. Designed a 2kW of three-phase VIENNA rectifierbased on one-cycle control with high power factor, including the device parameter calculation,setting and selection, especially give the input inductor and a driving transformer magneticelement design method. This control method which does not need a multiplier and an inputvoltage detection device can achieve, and has the constant direct current control. The control issimple and has less power switch tube.The prototype was verified by the experiment, experimental results prove that the circuitand the control mode is correct and feasible, the input current can track the input voltage well,the input power factor is higher, basically in 0.96 above. It shows that the circuit has strongpracticability and superiority. Keywords: APFC One Cycle Control Three-phase PFC VIENNA RectifierThesis : Application Research 目录目录1 绪论 .11.1 课题的背景及研究的意义 .11.1.1 课题的研究背景.11.1.2 本课题研究的意义.41.2 本课题的国内外研究动态及发展趋势.51.2.1 三相 PFC的研究动态.51.2.2 三相 PFC的发展趋势.81.3 本课题研究内容与研究目标 .92 三相 PFC电路组成及原理.102.1 谐波与功率因数的概述.102.1.1 谐波及功率因数的定义 .102.1.2 功率因数校正技术的分类.132.2 PFC技术的基本原理.142.3 三相 PFC常用主拓扑.152.3.1 三相 PFC常用主拓扑比较.152.3.2 三相 PFC主电路的选择 .212.4 三相 PFC电路的控制方法.212.4.1 不连续导电(DCM)控制模式.222.4.2 连续导电(CCM)控制模式.222.4.3 三相 PFC控制方法的选择.242.5 本章小结.243 单周控制的三相 VIENNA PFC电路分析.253.1 单周控制原理 .253.1.1 单周控制技术的基本原理.253.1.2 单周控制原理扩展.273.1.3 固定开关频率的单周控制.283.1.4 断续模式下单周控制 .293.1.5 单周控制电路中的开关误差自动补偿 .303.1.6 单周控制 PFC原理.313.2 三相 VIENNA结构 PFC电路的原理.323.2.1 三相 VIENNA结构 PFC工作过程.32I 目录3.2.2 三相 VIENNA结构 PFC电路的数学模型 .343.3 单周控制的三相 VIENNA PFC电路.363.4 本章小结.384 单周控制的三相 VIENNA PFC电路设计.394.1 主电路设计.394.1.1 输入电感设计.394.1.2 主开关器件设计.414.1.3 功率二极管设计.424.1.4 输出滤波电容设计.424.2 控制电路及驱动电路设计 .434.2.1 开关频率的设计.464.2.2 软启动电路设计.474.2.3 采样电路设计.474.2.4 驱动电路设计.504.3 本章小结.525 三相 VIENNA PFC电路实例及实验结果.535.1 技术指标.535.2 样机电路的设计.535.2.1 基本参数计算.535.2.2 输入电感参数计算.535.2.3 主电路各元器件的选型 .545.2.4 控制电路设计.565.3 实验结果及分析.585.4 本章小结.616 结论 .626.1 总结.626.2 展望.63致 谢 .64参考文献.65附录 A 攻读硕士学位期间参与的科研项目 .68附录 B 基于单周控制的三相 VIENNA结构 PFC设计电路图 .69II 1 绪论1 绪论1.1 课题的背景及研究的意义1.1.1 课题的研究背景随着现代科学技术的发展，人们对电力电子装置的使用越来越多，相应的给公共电网带来的谐波污染也越来越严重，这样不但严重影响电网的供电质量，增加网损，而且严重时还有可能导致电力设备不能正常运行，甚至损坏。除此之外，由于许多电力电子设备功率因数非常低，会给电网产生额外负担。因此，在国内外，功率因数校正(PowerFactor Correction，PFC)技术已经成为电力电子技术领域研究的一个前沿方向，为消除电力电子装置的谐波污染，提高其功率因数，开辟了一条新的途径。整流装置在各种电力电子设备中占有很大的比例。当前，经常用到的整流电路几乎1都采用传统的 AC/DC变换器 ，如由晶闸管构成的半控整流电路、二极管构成的不可控整流电路等非线性电路，其中又以单相和三相桥式整流电路居多。但传统的 AC/DC 变换器存在网侧功率因数低，电网损耗大，效率低以及对电网造成严重的谐波“污染”等23缺点 。传统 AC/DC变换器输入电流谐波如图 1.1所示 。幅值%100806040200基波3次5次7次050 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1000 频率（ Hz）图 1.1 传统 AC/DC变换器输入电流的谐波由于 AC/DC 变换器的功率因数低、谐波含量高，所以给电网以及其它用电装置的4-5正常运行带来了许多不必要的麻烦，甚至造成很大的危害 ：（1）谐波电流的“二次效应”对电网造成污染，在线路阻抗上产生的谐波压降会使电网电压波形发生失真，影响电网质量；（2）过大的谐波电流会引起供电线路故障，从而损坏用电设备；1 西安科技大学硕士学位论文（3）谐波电流会使三相四线制供电系统中线电流增加，致使中线超负荷，有可能引起火灾，损坏电气设备，造成重大经济损失；（4）谐波会对通信线路和雷达设备造成干扰，谐波噪声会对周围的通信系统产生很大的干扰，严重时会使通信系统无法正常工作；（5）谐波会引起同一系统中的继电保护装置的误动作，会使常规测量仪表产生谐波误差。因此，解决电力电子装置的谐波污染问题已十分紧要，而功率因数校正技术在电力电子装置中的应用不仅可以有效地降低高次谐波对电网的污染，使用电装置的输入功率因数、用电效率提高而且还可以缓解我国能源短缺的问题。所以，对 PFC技术的深入研究是十分必要的。国际电工委员会(International Eectrotechnical Commission，IEC)在 1982年制定了谐波标准 IEC555-2，它是涉及谐波电流限制的第一个规范。在 1992 年 IEC 对谐波标准IEC555-2 进行了修正，在此基础上，于 1998 年还制定了 IEC1000-3-2、IEC1000-3-4、IEC61000-3-2、IEC61000-3-3 等标准。随后，EN61000-3-2 和 EN61000-3-3 等标准也相6继颁布。表 1.1所列为 IEC61000-3-2标准对 A类设备电网谐波电流的规定限制 。表 1.1 IEC 61000-3-2标准对 A类设备谐波电流的要求谐波次数 n最大允许谐波电流值(A)352.301.14奇次70.7790.4011130.330.2115390.15*15/n21.080.43偶次460.308200.23*8/n我国也在 1990年至 1995年分别颁布了电能质量、谐波方面的国家标准电能质量公用电网谐波(GB/T14549-93)、电能质量电压波动和闪变(GB12326-2000)、电能质量三相电压允许不平衡度 (GB/T15543-1995)、电能质量电力系统频率允许偏差(GB/T15945-1995)和电能质量供电电压允许偏差(GB12325-90)，并且还实行了强制性认证。2 1 绪论由于整流器存在着谐波大、功率因数低等缺点，针对这些缺点，学者们研究了很多7改善措施。其中最具代表性的有两种方法 ：一、被动方法，即通过采用无源或有源电力滤波电路来旁路或消除谐波的方法来对电网谐波实施谐波补偿；二、主动方法，即对电力电子设备自身进行改进，其工作原理为：通过设计新一代的前置有源整流器，即将有源功率因数校正(下面简称功率因数校正)技术应用于整流器内部的方法对整流器进行改善，使其谐波减少，输入电流、电压同步，实现功率因数高、谐波含量低的整流。相比被动的对电网谐波补偿的方法，解决谐波问题的积极方法是清除或降低电力电子装置产生的谐波污染。传统的无源 PFC电路采用 LC滤波器增大整流桥导通角来补偿谐波和无功功率，从8-9而降低了电流谐波、提高了功率因数 。由于无源功率因数校正技术中使用的电感、电容、二极管等无源器件价格相对较低，所以可降低开关电源的成本。相比有源功率因数校正技术，虽然使用无源功率因数校正技术的功率因数不高，但仍可以使功率因数达到0.7至 0.8，输入电流的谐波含量稳定在 40%以下。因此，在中、小容量的电子装置中仍广泛应用这种技术。但这种技术还存在着一些不足，诸如：一、容易与系统产生并联谐振，使谐波电流放大，进而导致 LC 滤波器过载甚至损坏；二、只能对设定频率的谐波进行补偿，补偿效果不是非常理想；三、波峰系数高、谐波含量大；四、滤波器体积及重量比较大。有源电力滤波器是一种用于动态抑制谐波、补偿无功的新型电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，其应用可克服 LC 滤波器等传统的10谐波抑制和无功补偿方法的缺点 。有源电力滤波器的基本原理为通过检测补偿对象的电压和电流，由指令电流运算电路算出补偿电流的指令信号，该信号经补偿电流发生电路得到补偿电流，该电流与负载电流中要补偿的谐波及无功抵消，最终得到期望的电源11电流 。其优点是体积小、重量轻、功率因数接近 1、反应动作迅速、滤除谐波可达到95%以上、补偿无功细致。缺点是价格高、容量小，在实际中，很困难产生与系统匹配的补偿电流。然而，相比设置补偿装置来补偿谐波和无功功率，改进变换器本身性能的方法是一种更积极、主动的方法，也是近几年研究的主要方向。功率因数校正的目的是迫使输入电流为正弦波且与输入电压同步，解决输入电流畸变问题。单相功率因数校正技术目前在电路拓扑和控制技术方面的发展都比较成熟，并且市场上已经推出了一系列专门用于单相功率因数校正的控制芯片，主要应用于小容量系统。与单相整流器相比，传统的三相整流器的功率等级更大，对电网的污染也更大。因此三相PFC技术在解决电力公害方面起着十分重要的作用，三相 PFC技术成为近年来12-14研究的热点 。因为三相PFC电路具有对称性，所以对于中大功率系统，一般采用三相PFC技术。由于三相PFC电路结构、工作机理和控制都比较复杂，所以目前仍处于发展阶段。3 西安科技大学硕士学位论文1.1.2 本课题研究的意义作为一门新发展起来的电源技术，PFC在开关电源领域的重要作用已经得到了大家15的广泛认可，提高开关电源功率因数已成为现代电力电子领域一个重要的研究方向 。提高开关电源的功率因数，开发出功率因数较高的变换器不仅能够节省更多的能源、提高电网供电质量还能保证电力系统运行的安全性和稳定性。为了限制谐波污染对电网及其他用电设备的危害，国际上己经制定出了各种相关的标准和规定，如 MIL-STD-1399.BELLCORE001089，IEC555-2，IEEE519 等，从 1994年开始 IEC555-2标准在欧盟国家得到全面的实施，所有与该标准不相符的用电设备一律禁止在欧洲销售。而 PFC技术在提高功率因数，减少谐波污染方面有着显著的作用，所以成为学者们研究的一个必然趋势。PFC技术不仅可以提高用电装置的功率因数和效率，降低开关电源的整机成本，而且还可以提高供电系统的可靠性，大大提高了产品的竞争力。采取 PFC措施后，电源的输入电压范围扩大，能适应世界各国不同的电网电压，大大提高开关电源的可靠性和灵活性。可以提高电网设备的安全性，在三相四线制电路中，采取 PFC措施后，减小了谐波电流分量，从而减小了中线电流(理论上为零)，可有效提高供电系统的可靠性。能源与环境已成为当前全球最为关注的问题，能源是经济的基础，而环境是制约经济发展的重要因素。节能降耗，减少对石油资源的依赖，已成为我国经济持续发展迫切需要解决的问题。电动汽车的推广使用将大大缓解能源危机和环境污染。电动汽车充电电源则是电动汽车和新能源汽车的示范推广主要环节之一，必须与电动汽车其他领域实现共同协调发展。应用于电动汽车充电的高效高功率因数开关电源研究，将对研究大规模电动汽车充电技术及电动汽车行业的发展具有十分重要的意义。高效高功率因数开关电源的推广应用，不仅节省了原材料、降低了能耗，且有助于用电设备向着轻、薄、小方向发展。这种功率因数高、电网侧电流谐波较小、装置体积小、输出纹波小、动态性能好、变换率较高的开关电源将有利于电动汽车行业的发展，同时对实现中国汽车工业可持续发展也起到了十分重要的作用。VIENNA 整流器作为一种新型的三相三电平 AC/DC 变换器，与传统的用于大功率的三相全桥整流器相比，有其独特的优点，具有一定的优势，三电平特性使开关管上的电压应力只有输出电压的一半，在大功率的应用场合下选择开关管比较容易，输出电压纹波小、输入滤波器体积小。最主要的优势是功率开关管少，控制简单，功率因数高。采用基于单周控制技术的开关变换器电路结构简单，能在每个开关周期抑制输入电压波动并且平均电流能快速跟踪控制参考量，不受负载电流的约束，即使负载电流有很大的谐波也不会使输入电流发生畸变。因此，单周控制的三相 VIEN