用于3kVA電源的AC/DC變換器

摘要：?jiǎn)沃芷诳刂剖且环N用于功率變換器的新型非線(xiàn)性控制策略，當輸入電壓發(fā)生擾動(dòng)或負載快速變化時(shí)，僅在一個(gè)周期內就可實(shí)現控制目標。本文簡(jiǎn)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校正?；贗R1150研制了一臺3kVA的功率因數校正實(shí)驗樣機，給出了設計實(shí)例和實(shí)驗結果。實(shí)驗結果表明，該變換器的控制方法簡(jiǎn)單、可靠和通用。

敘詞：變換器;功率因數校正;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(xiàn)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)輸入端功率因數低，只有0.5~0.7，因而采用功率因數校正技術(shù)是必要的。單周期控制是近年來(lái)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)驗驗證[1]。其控制思想是通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的占空比，使每個(gè)開(kāi)關(guān)周期中開(kāi)關(guān)變量的平均值嚴格等于或正比于控制參考量。其突出的特點(diǎn)是，開(kāi)關(guān)變量在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中精確地跟隨控制基準，提供了很快的動(dòng)態(tài)響應和很好的輸入擾動(dòng)抵制，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內有效地消除電源紋波干擾和開(kāi)關(guān)誤差，控制方法簡(jiǎn)單可靠。

IR公司采用單周期控制技術(shù)推出了專(zhuān)用于AC/DC功率因數校正電路的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)現功率因數校正。介紹了單周期控制Boost PFC變換器的原理，給出了電路的參數設計和實(shí)驗結果。實(shí)驗結果表明，該技術(shù)用于Boost變換器完全能夠實(shí)現功率因數校正。

2 單周期控制原理

以Buck變換器為例，簡(jiǎn)要說(shuō)明單周期控制原理。如圖1所示：控制器主要包括積分器、復位開(kāi)關(guān)Sr、比較器和RS觸發(fā)器。當脈沖到來(lái)時(shí)，RS觸發(fā)器置位(Q端置“1”)，控制電路主開(kāi)關(guān)S導通，復位開(kāi)關(guān)Sr關(guān)斷。在這個(gè)狀態(tài)中，開(kāi)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，比較器輸出復位RS觸發(fā)器(Q端置“0”)，控制主開(kāi)關(guān)S關(guān)斷，復位開(kāi)關(guān)Sr導通。由于二極管導通，開(kāi)關(guān)變量UD為零，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)。

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。根據功率因數的定義可知，要實(shí)現功率因數校正須滿(mǎn)足下式：

(1)

式中Re──變換器的入端阻抗

如果在任何一個(gè)開(kāi)關(guān)周期之內， Re可以等效為一個(gè)純電阻，則功率因數

。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期之內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

(2)

令：

(3)

式中Rs──等效采樣電阻

合并式(1)~(3)得：

(4)

當輸出濾波電容Co足夠大時(shí)，Uo可以看作常數。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期之內，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(gè)電阻，實(shí)現了功率因數校正?？刂颇繕巳缦拢?/p>

(5)

4 參數設計[3][4]

設計要求：

交流輸入電壓： Uin=165~275V

額定輸出功率： Po =3000VA

輸出電壓： Uo =380V

開(kāi)關(guān)頻率： fs =50kHz

功率因數： λ≥0.99

4.1 電感設計

在功率因數校正變換器中，電感的設計

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