基于单周期控制的软开关AC/DC变换器

2011-03-10 08:38:52来源: 燕山大学

摘要:提出了一种软开关单周期控制AC/DC变换器,以Boost电路工作在电流断续状态为例,分析了该电路的工作原理。仿真结果表明,该电路在整个输入电压范围内都能保持软开关特性,达到了高功率因数和高效率的目的。

关键词:有源功率因数校正;单周期控制;软开关;电流断续

 

1  引言

    开关电源在仪器仪表,通信及自动化设备中得到了广泛的应用,但是,开关电源是个电磁骚扰源,它产生的谐波将会沿线路产生传导干扰和辐射干扰,从而对电网产生污染,并对邻近电子设备产生干扰。如何消除电力电子装置的谐波污染,并提高其功率因数,已成为电力电子技术的一项重大课题,采用有源功率因数校正(APFC)技术是最佳解决方式。

    随着变换器工作的高频化,功率开关、二极管以及吸收电路上的能量损失将随开关频率的增加而增加,APFC电路的效率将明显降低。借助各种软开关技术进一步提高APFC电路的性能是解决这一问题最有效的途径,因此,将软开关技术与APFC相结合,是APFC发展方向之一。

    单周期控制(One-CycleControl)是近年来提出的新控制技术,其主旨是在一个开关周期内控制平均电流或电压以期达到参考值,文献[1]和[2]就是通过控制二极管上的平均电压来间接控制输出电压。本文将单周期控制用于Boost电路,并且加入了软开关。此电路简单,能在一周期内消除输入线电压扰动,使每周期输出电压等于参考电压,动态响应快。

2  主电路工作原理

    Boost电路被广泛应用于单相整流电源的功率因数校正技术中,当其工作在不连续导电模式时,其优点为峰值电感电流基本上正比于输入电压,输入电流波形自然地跟随输入电压波形,因而功率因数高。缺点是开关不仅要导通较大的通态电流,而且将关断更大的峰值电流并引起很大的关断损耗,同时还会产生严重的电磁干扰。软开关技术的成功应用解决了硬开关的固有缺点,大大减少了功率管的开关损耗,抑制了电磁干扰,并获得了较高的效率。

    本文提出一种带有谐振直流环的单相软开关单位功率因数整流器,其主电路拓扑如图1所示。此电路采用二极管整流加升压斩波器的形式,升压变换器电感电流断续,PWM谐振直流环器件为MOSFET,电路由谐振电感Lr,谐振电容Cr,开关器件S1,S2,续流二极管D2,D3组成,D4将直流侧与谐振网络及交流侧隔开。

图1  单周期控制软开关Boost电路拓扑

    该拓扑结构有以下特点:

    1)PWM技术和软开关技术融为一体,不需辅助换流电路;

    2)软开关对PWM的影响小;

    3)谐振网络属于ZVT,ZCT并联谐振直流环,功率器件可实现软开关;

    4)电路拓扑简单,谐振控制开关S1,S2同步导通和关断,控制易于实现;

    5)交流端输入电流接近正弦波,功率因数接近1。

3  单周期控制技术

    单周期控制是一种非线性控制技术,该控制方法的突出特点是,无论是稳态还是暂态,它都能保持受控量(通常为斩波波形)的平均值恰好等于或正比于给定值,即能在一个开关周期内,有效地抑制电源侧的扰动,既没有稳态误差,也没有暂态误差,这种控制技术可广泛应用于非线性系统的场合,如脉宽调制、谐振、软开关式的变换器等。采用单周期控制技术,便可以有效地克服传统电压反馈控制中的缺陷,同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿。

    下面以Boost变换器为例来说明单周期控制技术的原理。如图1所示,假定开关频率fs=1/Ts为常数。电路开始工作时,输入时钟信号,由D触发器U3产生恒定频率的开关脉冲,同时开通S1和S2,输出电压Uo分压后的电压us经积分器U1开始积分(初始状态为零),当积分器输出电压uint达到给定值uref时,比较器U2输出高电平,D触发器(U3)发出关断信号关断S1和S2。与此同时,D触发器发出的复位信号使实时积分器复位为零,为下一周期做准备。由上面分析,可以得出下式:

    uint=usdt=ugdt=uref(1)

    如果给定参考信号uref为常数,则输出电压Uo就为常数,积分器输出电压uint的斜率直接反映了输入电压ug的变化。当输入电压ug升高,uint的上升斜率就陡,这样积分值uint达到给定信号的时间就短。从而占空比D就小;反之,当输入电压ug降低时,积分值uint达到给定信号uref的时间就长,占空比D就大。

    在单周期控制中,占空比D由下式决定:

    ugdt=uref(2) 

采用这种非线性控制,使得us电压的平均值在每一开关周期内都与uref完全相同,并且与输入电压ug的大小无关。这样,输出电压Uo就是给定信号uref的线性函数,可以用图2来表示。

图2  给定信号为常数时的调节过程

4  仿真结果

    新推出的PSPICE9.1版本,工作于Windows9x/NT平台上,CPU仅要求是奔腾以上、32M内存、100M以上剩余硬盘空间、800×600以上显示分辨率,是功能强大的模拟电路和数字电路混合仿真EDA软件。

    应用PSPICE进行仿真,仿真电路参数如下:

    输入电压    AC 220V;

    升压电感    300μH;

    谐振电感    15μH;

    谐振电容    0.02μF;

    输出电压    450V;

    输出电容    470μF;

    开关频率    50kHz。

    图3为软开关波形图,从上到下波形依次为:

    1)输出电压Uo;

    2)谐振电容电压UCr;

    3)主功率开关管源电压ugs;

    4)谐振电感电流ilr;

    5)谐振电路续流二极管电流iD2(iD3)。

    从图3中可以看出,主功率开关管实现了零电流开通和零电压关断。

图3  软开关波形 

图4为单周期控制电路波形图,从上到下波形依次为:

图4  单周期控制波形图

    1)开关脉冲信号

    2)主功率开关管栅源电压ugs;

    3)比较器输出;

    4)积分器输出电压uint;

    5)参考电压uref。

    从图4中可以看出,当开关脉冲开通时,升压电感电流上升,主功率开关和积分器同时开通,一旦积分器输出达到参考电压,比较器输出高电平,D触发器复位,同时关断主功率开关和积分器,升压电感电流也开始下降。

    图5为输入电流和输入电压仿真波形图,从图中可以看出,交流侧电流与电压同相位,从而实现了单位功率因数。

图5  输入电压与输入电流波形

5  结语

    由以上分析可知,带有软开关的单周期控制AC/DC变换器,当工作在不连续导电模式时,输入电流波形自然地跟随输入电压波形,功率因数高,线路简单,动态响应快,效率高,预期在小功率开关电源领域内将会有广泛的应用前途。

关键字:周期

编辑:eeleader 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/gykz/2011/0310/article_5023.html
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