电力电子技术PowerElectronics
第39卷第6期2005年12月
Vol.39,No.6December,2005
1引言
电力电子装置的广泛应用,带来了日益严重的
电磁环境污染,导致了电网中大量的谐波和电磁干扰(EMI)
。究其原因,主要是电力电子装置整流滤波电路的非线性,以及功率开关管在高电压下导通,大电流下关断时的硬开关工作方式。为消除电流谐波,可加入功率因数校正(PFC)
电路,而减少EMI最有效的办法是采用软开关工作方式。开发研究高功率因数的软开关AC/DC变换器一直是本学科的一个热点。目前,小功率的单相高功率因数AC/DC变换技术已较成熟。市场上有许多相应的专用集成控制芯片,如UC3854,L6561,MC33262等等。外围电路相当简单,功率因数可达0.99,在消费类电子产品中已获得广泛应用。大功率的三相高功率因数AC/DC变换器,因其电路拓扑结构和控制都较复杂,而且大功率装置的谐波污染更突出,吸引了许多专家学者从不同角度对其开展了研究[1 ̄3]。目前较成熟的是采用PFC级加DC/DC变换级的两级方案。它能达到较好的性能指标,但缺点是元件多,效率低,成本高。然而,电路结构相对简单的单级方案正成为大家关注的焦点,其主要问题在于如何使输入电流谐波满足标准要求,且在调节输出电压的同时,抑制
直流母线上可能产生的上千伏高压[4]。本文提出了一
种基于伪相移(Pseudo-Phase-Shifting)
美国留学生活控制的大功率三相单级高功率因数软开关AC/DC变换器。它的拓扑结构简单、控制容易,直流母线电压UGB可抑制在
800V以下,
输出功率Po=10kW,功率因数PF=0.99。2电路拓扑及控制方法
图1示出本文提出的三相单级高功率因数软开
关AC/DC变换器电路拓扑。它由三相三线制输入电源、三相高频滤波网络、功率因数校正及DC/DC全桥变换器4部分组成。星形连接的高频滤波电容Cd的中点N连接到逆变器超前桥臂的两个开关管VZ1和VZ3中间,在VZ1或VZ3导通时,为输入电感Lin构成储能回路,在DCM模式下完成功率因数校正(PFC)。VZ1和VZ3和滞后臂开关管VZ2和VZ4构成一个零开关损耗的全桥DC/DC变换器。逆变器采用伪相移式控制[5]。
图2示出各开关时序及其工作波形。其工作原理为:对角开关管VZ1,VZ2或VZ3,VZ4同时开通;
三相单级高功率因数软开关AC/DC变换器
黄念慈,段述江,凡木文,白三中
(四川大学,四川成都610065)
摘要:采用伪相移式全桥零电压零电流(PPS-FB-ZVZCS)变换器完成三相功率因数校正(PFC)和输出电压调节双重功能,并能有效抑制直流母线电压。本文对其进行了理论分析、关键参数计算、计算机仿真和实验室样机实验验证。实验表明,其最大输出功率为10kW,
功率因数达到0.99,轻载时直流母线电压小于800V。关键词:功率因数;变换器/软开关中图分类号:TM464,TM714.3
文献标识码:A
文章编号:1000-100X(2005)06-0022-03
macklemoreNovelHigh-PowerThree-PhaseSingle-StageUnity-Power-Factor
AC/DCConverterwithSoft-Switching
HUANGNian-ci,DUANShu-jiang,FANMu-wen,BAISan-zhong
(SichuanUniversity,Chengdu610065,China)
Abstract:ThePFCandtheoutputvoltagemodulationaresimultaneouslyachievedinuseofapseudo-phase-shifting-fullbridgeconverter(
PPS-FB-ZVZCS)withzero-voltage-zero-currentswitchingaswellasrestrainingtheDC-linkvoltage.Itsoperationprinciple,calculationofkeyparameters,computersimulationandexperimentresultsofa10kWprototypearepresented.TheDC-linkvoltageisbelow800Vandthepowerfactorofthesystemisabove0.99.
Keywords:PF;converter/soft-switching
uniqueness定稿日期:2005-10-21
作者简介:黄念慈(1945-)
男,广东南海人,教授,研究方向为绿色电力电子技术。
图
1三相三线变换器的电路拓扑结构
22
VZ1和VZ3比VZ2和VZ4先关断。VZ1和VZ3的关断
时间可以调节,VZ2和VZ4
的关断时间固定不变。因
此,改变VZ1和初中英语短文改错
VZ3的导通时间,可以调节Po。
逆变器的工作频率是固定的。在用于三相四线电源系统时,N点即可与
中性线连接。
3工作原理
为了简化分析,假设:①视所有的开关器件,包括二极管为理想器件;②三相线电压对称;③忽略高
频输入滤波器的影响;④因高频开关周期Ts远远小于电源交流电周期T,因此在一个Ts内,可视ua,ub,uc不变;⑤视UGB为定值。取三相中一相电压过零点,即改变极性作为开始,变换器的工作过程每60°重复一次。下以A相为例,选取在0°~60°
之间的众多Ts中的一个周期,描述逆变级的各个工作阶段。在0°~60°内,ua>0,ub<0,uc>0。图2示出两个Ts内IGBT门极驱动信号ugVZ1~ugVZ4以及A相PFC储能电感L1上的电流iL1、变压器T1的初级电压uNM、变压器的初级电流iLp波形。
(1)第一阶段图3a示出该阶段的工作过程。当t<t1时,VZ1和VZ2共同导通,可饱和电感Ls饱和,uNM=UGB加至负载RL,向负载输出功率。VZ1开通,使P,N两点等电位,二极管VD1,VD3导通,
为输入电感L1和L3构成独立回路,将能量储存在L1和
L3中。B相电压小于零,二极管VD5导通,再通过
mentally
VZ1和Cd构成回路,
释放电感L2中的能量。当Cd足够大时,星形连接的Cd的中点N等效于三相电源的中性点。因此,加在L1和L3两端的电压分别为ua和uc;
加在L2上的电压为UGB+ub。在此期间,加在电感上的电压近似于恒定值,L1和L3上的电流iL1和iL3近似线性增长,在VZ1关断时,达到最大值;L2上的电流iL2从负的最大值向零线性减小。
(2)第二阶段图3b示出该阶段的工作过程。在t1时刻,VZ1先关断(因开关管并联C1,VZ1为零电压关断);变压器的iLp对C1充电,C3放电。当N与G点之间的电压uNG下降为零,即C3放电到零时,
VDr3自然导通,
之后完成VZ3的零电压开通。(3)第三阶段图3c示出该阶段的工作过程。
iLp经VZ2和VD3续流,
并在谐振电容Cb的作用下迅速下降,当下降至Ls的临界饱和电流时,Ls退出饱
和,阻止iLp反向。
(4)第四阶段图3d示出该阶段的工作过程。在t2时刻,VZ2实现零电流关断;在t3时刻,即延迟一定时间(滞后臂死区时间),零电流开通VZ4;VZ3和VZ4共同导通,VZ3零电压开通。Ls饱和,电源向负载输出功率。VZ3开通,使G和N两点等电位,加在L1和L3上的电压分别为ua-UGB和uc-UGB。加在L2上的电压为ub。在此期间,考虑到整流电压近似恒定,iL1和iL3从最大值近似线性减小到零;iL2从零负向线性增加到负最大值,在VZ3关断时达到负的最大值。之后,进入下半周期,运行模式与上述相似。
图2
各开关时序及工作波形
图3工作过程
4计算机仿真结果
对图1所示的电路进行了PSPICE仿真。电路主要参数为:三相输入电源电压uS=380V,PFC的L1=L2=L3=50μH;C1=C3=0.01μF;Cd=470μF;开关频
率fs=25kHz;占空比D=0.4;变压器变比n=7∶1;输出滤波电感Lf=100μH;输出滤波电容Cf=1μF;输出电压Uo=36V,输出电流Io=400A。图4a示出完成双重功能的VZ3零电压开关仿真波形;图4b示出
三相单级高功率因数软开关AC/DC变换器
23
图5带或不带PFC的iin频谱分析
Lin工作在DCM下,
其包络线为与该相电压同相的正弦仿真波形,即PFC的输入电感电流iLin波形;图4c示出经过高频滤波后得到的输入电流iin仿真波形,图5a示出相应的带PFC时的iin频谱图。可见,
除fs处有少量谐波未滤净外,大部分谐波均被滤
净。图5b示出不带PFC时传统变换器的iin频谱图。显然,设计的变换器,其PF值远远高于传统变换器的PF值,可达0.99以上。
星期一的英文
5理论分析
5.1
PFC和THD
设计的变换器,其PFC电感工作在DCM模式。
PFC电感在VZ1开通,VZ3关断期间储能,
在VZ1关断,VZ3开通期间将能量转移。显然,当一个T内的第n个脉冲结束时,iL1和iL3达到最大值iL1max和iL3max。
iL2降到零。在一个Ts内,
电流波形呈锯齿状,如图2所示。以A相为例,电感电流的方程为:iL1≈"
Esin(
ventωt)L1
#
t(0≤t≤DTs)(1)iL1≈iL1max+%
Esin(ωt)-UGBL1
&
t(DTs≤t≤Ts)(2)
式中E———uin的幅值
由式(1)和式(2)
可得流过L1的平均电流为:iL1AV≈Ton2
E2TsL1%msin(ωt)m-sin(ωt)
&
(3)
式中m=UGB
E
由于三相对称,故其它两相同理。因式(3)较复杂,直接由式(3)
计算THD比较困难,故将其近似为:iL1A,AVG≈Ton2E22LTsmsin(ωt)-sin3(ωt)m2-1
(4)将式(4)
由傅立叶展开,可得输入电流谐波为:THD=1004m+3
%
(5)
图6示出输入电流THD和PF与电压变换系数
m的关系曲线。当m=2.5时,PF达到0.995。
5.2
直流母线的过电压抑制
介绍的PPSC方案能较好地抑制了UGB。在轻载
下可保证UGB低于800V。从能量的角度考虑,由式(3)
可得输入功率和输出功率分别为:Pin=3E2Ton24LTs和Po=Uo2
RL
(6)
当负载变轻时,Po减小,通过电压反馈环使得
Ton减小,因此,Pin相应减小,抑制电压升高。实际上,变换器是一个Buck变换器,因此:UGB=nUoTonTs
(7)
式中n———变压器的变比
由式(6)求出Uo,代入式(7)
可得:UGB=nTon2
E2Ts
3RLLTs’
(8)
显然,当负载减轻时,Ton减小,
抑制了UGB。6试验结果
对图1电路进行了样机试验。其参数Uo=40V,Io=250A。图7a示出VZ3的门极驱动脉冲ugVZ3和漏源电压udsVZ3的实验波形,它实现了零电压开关。
图6THD和PF与m的关系曲线
图7实验波形
(下转第34页)
图4仿真结果
24
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!
(上接第24页)
图7b示出uNM和iLp实验波形。可见,滞后臂开关管是零电流关断模式。图7c示出相电压ua和PFC级的iL1实验波形。可见,电流是断续的,其峰值跟随输入电压的变化。图7d示出图7c的展开波形。图7e示出经滤波后电源的输入电压uS和iS的实验波形。可见,其PF值可达0.99以上。图7f示出不带PFC传统变换器的uin和iin实验波形。
cinch
7结论
采用基于伪相移式的全桥零电压零电流(PPS-FB-ZVZCS)
变换电路拓扑和控制策略,实现了所提AC/DC变换器要求的大功率、
单级、高功率因数、软开关、直流母线电压抑制等的功能。适合用于三相三线制输入电源和三相四线制输入电源等领域,其拓扑结构简单,控制容易,对电网既无谐波污染,也无EMI电磁干扰。理论分析、计算机仿真及实验结果均证实了它的可行性。参考文献
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anenergyconservationpointofview,theaverageoutputpower
(Po)Ts=Vo2
/Risequaltotheaverageinputpower(Pi)Ts=ViIi.Ifthe怎样学好初中数学
outputwltafeVoisfixed,theaverageoutputpower(Po)TsincreasesastheloadRdecreases.TheaverageinputIitherebyincreasesforafixedinputvoltageVi.HencethedutyratioDmustincrease,andthusthecontrolvoltagevctrlincreasesnecessarily.Ontheotherhand,ifVoandRarefixedandVidecreases,andthenaverageinputcurrentIiwillincreasetomaintaintheconstantaveragepower.Asmentionedbefore,thecontrolvoltagevctrltherebyincreases.
7Conclusion
Inthispaper,theSingle-StagePFCDouble-CurrentSyn-chronousRectifierLuo-ConverterhasbeencombinedtocreateaSingle-Stagehighpowerfactorcorrectionconverter.Thepro-posedconverterexhibitshighpowerfactor,lowvoltagestressandoutputvoltageregulation.Theoperatingprinciple,operatingpointandthesmall-signalmodeloftheproposedconverterarealsostudiedinthispaper.
Basedontheclassicalcontroltheory,aPIDcontrollerisde-signedtoachievefastoutputvoltageregulation.AnAC/DCpro-totypewithoutputpower108Wisbuiltandtestedtoverifyitsoperatingprincipleoftheproposedconverter.Itrevealsfromthesimulationandexperimentalresultsthatthedesignissuccessfulandcanbeusedinindustrialapplications.
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