用于3kVA電源的AC/DC變換器

摘要：單周期控制是一種用于功率變換器的新型非線性控制策略，當(dāng)輸入電壓發(fā)生擾動或負(fù)載快速變化時，僅在一個周期內(nèi)就可實(shí)現(xiàn)控制目標(biāo)。本文簡要分析了單周期控制的控制原理，并在Boost變換器中采用了這種新穎的控制方法用于功率因數(shù)校正?；贗R1150研制了一臺3kVA的功率因數(shù)校正實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，給出了設(shè)計(jì)實(shí)例和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該變換器的控制方法簡單、可靠和通用。

敘詞：變換器;功率因數(shù)校正;單周期控制

Abstract： One cycle control is a novel nonlinear control method for power converters. A one cycle controlled switch has the ability to reject the input voltage perturbation or the load step and to realize control objective only one switching cycle. After the analyses of one cycle control mechanism in this paper, this method is used in Boost PFC. A 3kVA PFC Converter is designed based on IR1150, the design process and experiment results are given. Experimental results prove that the control method of this converter is simple, reliable and general.

Keyword：converter;PFC; one cycle control

1 引言

傳統(tǒng)的AC/DC電路采用不可控整流電路和電解電容濾波以得到波形平滑的直流電壓。由于使用了非線性元件和儲能元件，使得輸入電流波形畸變而包含大量諧波，電網(wǎng)輸入端功率因數(shù)低，只有0.5~0.7，因而采用功率因數(shù)校正技術(shù)是必要的。單周期控制是近年來由Keyue Smedley M提出的新型控制技術(shù)，并首先在Buck變換器中進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[1]。其控制思想是通過控制開關(guān)的占空比，使每個開關(guān)周期中開關(guān)變量的平均值嚴(yán)格等于或正比于控制參考量。其突出的特點(diǎn)是，開關(guān)變量在一個開關(guān)周期中精確地跟隨控制基準(zhǔn)，提供了很快的動態(tài)響應(yīng)和很好的輸入擾動抵制，在一個開關(guān)周期內(nèi)有效地消除電源紋波干擾和開關(guān)誤差，控制方法簡單可靠。

IR公司采用單周期控制技術(shù)推出了專用于AC/DC功率因數(shù)校正電路的IR1150系列產(chǎn)品。本文基于IR1150將單周期控制技術(shù)引入Boost變換器，以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。介紹了單周期控制Boost PFC變換器的原理，給出了電路的參數(shù)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該技術(shù)用于Boost變換器完全能夠?qū)崿F(xiàn)功率因數(shù)校正。

2 單周期控制原理

以Buck變換器為例，簡要說明單周期控制原理。如圖1所示：控制器主要包括積分器、復(fù)位開關(guān)Sr、比較器和RS觸發(fā)器。當(dāng)脈沖到來時，RS觸發(fā)器置位(Q端置“1”)，控制電路主開關(guān)S導(dǎo)通，復(fù)位開關(guān)Sr關(guān)斷。在這個狀態(tài)中，開關(guān)變量UD等于電源電壓Uin，積分器積分直到積分輸出Uint等于控制參考Uref，比較器輸出復(fù)位RS觸發(fā)器(Q端置“0”)，控制主開關(guān)S關(guān)斷，復(fù)位開關(guān)Sr導(dǎo)通。由于二極管導(dǎo)通，開關(guān)變量UD為零，直到下一個時鐘脈沖到來。

圖1 基于Buck變換器的單周期控制原理圖

3 單周期控制的Boost PFC變換器原理[2]

圖2給出了單周期控制的Boost PFC變換器原理框圖。根據(jù)功率因數(shù)的定義可知，要實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正須滿足下式：

(1)

式中Re──變換器的入端阻抗

如果在任何一個開關(guān)周期之內(nèi)， Re可以等效為一個純電阻，則功率因數(shù)

。在一個開關(guān)周期之內(nèi)Boost變換器的輸入電壓和輸出電壓的關(guān)系可表示為：

圖2 單周期控制Boost PFC 變換器原理圖

圖中

──電壓反饋誤差放大器參數(shù)

(2)

令：

(3)

式中Rs──等效采樣電阻

合并式(1)~(3)得：

(4)

當(dāng)輸出濾波電容Co足夠大時，Uo可以看作常數(shù)。在一個開關(guān)周期之內(nèi)，可將Uin看作恒定的。由公式(4)可知，Iin總是跟隨Uin，從而變換器的入端阻抗等效為一個電阻，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。控制目標(biāo)如下：

(5)

4 參數(shù)設(shè)計(jì)[3][4]

設(shè)計(jì)要求：

交流輸入電壓： Uin=165~275V

額定輸出功率： Po =3000VA

輸出電壓： Uo =380V

開關(guān)頻率： fs =50kHz

功率因數(shù)： λ≥0.99

4.1 電感設(shè)計(jì)

在功率因數(shù)校正變換器中，電感的設(shè)計(jì)

是至關(guān)重要的，電感設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系到變換器的性能。電感由下式?jīng)Q定：