《電子技術應用》
您所在的位置:首頁 > 電源技術 > 設計應用 > 基于單周期控制的軟開關AC/DC變換器
基于單周期控制的軟開關AC/DC變換器
摘要: 提出了一種軟開關單周期控制AC/DC變換器,以Boost電路工作在電流斷續(xù)狀態(tài)為例,分析了該電路的工作原理。仿真結果表明,該電路在整個輸入電壓范圍內都能保持軟開關特性,達到了高功率因數(shù)和高效率的目的.
Abstract:
Key words :

1  引言

    開關電源在儀器儀表,通信及自動化設備中得到了廣泛的應用,但是,開關電源是個電磁騷擾源,它產(chǎn)生的諧波將會沿線路產(chǎn)生傳導干擾和輻射干擾,從而對電網(wǎng)產(chǎn)生污染,并對鄰近電子設備產(chǎn)生干擾。如何消除電力電子裝置的諧波污染,并提高其功率因數(shù),已成為電力電子技術的一項重大課題,采用有源功率因數(shù)校正(APFC)技術是最佳解決方式。

    隨著變換器" title="變換器">變換器工作的高頻化,功率開關、二極管以及吸收電路上的能量損失將隨開關頻率的增加而增加,APFC電路的效率將明顯降低。借助各種軟開關" title="軟開關">軟開關技術進一步提高APFC電路的性能是解決這一問題最有效的途徑,因此,將軟開關技術與APFC相結合,是APFC發(fā)展方向之一。

    單周期" title="單周期">單周期控制(One-CycleControl)是近年來提出的新控制技術,其主旨是在一個開關周期內控制平均電流或電壓以期達到參考值,文獻[1]和[2]就是通過控制二極管上的平均電壓來間接控制輸出電壓。本文將單周期控制用于Boost電路,并且加入了軟開關。此電路簡單,能在一周期內消除輸入線電壓擾動,使每周期輸出電壓等于參考電壓,動態(tài)響應快。

2  主電路工作原理

    Boost電路被廣泛應用于單相整流電源的功率因數(shù)校正技術中,當其工作在不連續(xù)導電模式時,其優(yōu)點為峰值電感電流基本上正比于輸入電壓,輸入電流波形自然地跟隨輸入電壓波形,因而功率因數(shù)高。缺點是開關不僅要導通較大的通態(tài)電流,而且將關斷" title="關斷">關斷更大的峰值電流并引起很大的關斷損耗,同時還會產(chǎn)生嚴重的電磁干擾。軟開關技術的成功應用解決了硬開關的固有缺點,大大減少了功率管的開關損耗,抑制了電磁干擾,并獲得了較高的效率。

    本文提出一種帶有諧振直流環(huán)的單相軟開關單位功率因數(shù)整流器,其主電路拓撲如圖1所示。此電路采用二極管整流加升壓斬波器的形式,升壓變換器電感電流斷續(xù),PWM諧振直流環(huán)器件為MOSFET,電路由諧振電感Lr,諧振電容Cr,開關器件S1,S2,續(xù)流二極管D2,D3組成,D4將直流側與諧振網(wǎng)絡及交流側隔開。

圖1  單周期控制軟開關Boost電路拓撲

    該拓撲結構有以下特點:

    1)PWM技術和軟開關技術融為一體,不需輔助換流電路;

    2)軟開關對PWM的影響??;

    3)諧振網(wǎng)絡屬于ZVT,ZCT并聯(lián)諧振直流環(huán),功率器件可實現(xiàn)軟開關;

    4)電路拓撲簡單,諧振控制開關S1,S2同步導通和關斷,控制易于實現(xiàn);

    5)交流端輸入電流接近正弦波,功率因數(shù)接近1。

3  單周期控制技術

    單周期控制是一種非線性控制技術,該控制方法的突出特點是,無論是穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài),它都能保持受控量(通常為斬波波形)的平均值恰好等于或正比于給定值,即能在一個開關周期內,有效地抑制電源側的擾動,既沒有穩(wěn)態(tài)誤差,也沒有暫態(tài)誤差,這種控制技術可廣泛應用于非線性系統(tǒng)的場合,如脈寬調制、諧振、軟開關式的變換器等。采用單周期控制技術,便可以有效地克服傳統(tǒng)電壓反饋控制中的缺陷,同時也不必考慮電流模式控制中的人為補償。

    下面以Boost變換器為例來說明單周期控制技術的原理。如圖1所示,假定開關頻率fs=1/Ts為常數(shù)。電路開始工作時,輸入時鐘信號,由D觸發(fā)器U3產(chǎn)生恒定頻率的開關脈沖,同時開通S1和S2,輸出電壓Uo分壓后的電壓us經(jīng)積分器U1開始積分(初始狀態(tài)為零),當積分器輸出電壓uint達到給定值uref時,比較器U2輸出高電平,D觸發(fā)器(U3)發(fā)出關斷信號關斷S1和S2。與此同時,D觸發(fā)器發(fā)出的復位信號使實時積分器復位為零,為下一周期做準備。由上面分析,可以得出下式:

    uint=usdt=ugdt=uref(1)

    如果給定參考信號uref為常數(shù),則輸出電壓Uo就為常數(shù),積分器輸出電壓uint的斜率直接反映了輸入電壓ug的變化。當輸入電壓ug升高,uint的上升斜率就陡,這樣積分值uint達到給定信號的時間就短。從而占空比D就??;反之,當輸入電壓ug降低時,積分值uint達到給定信號uref的時間就長,占空比D就大。

    在單周期控制中,占空比D由下式?jīng)Q定:

    ugdt=uref(2) 

    采用這種非線性控制,使得us電壓的平均值在每一開關周期內都與uref完全相同,并且與輸入電壓ug的大小無關。這樣,輸出電壓Uo就是給定信號uref的線性函數(shù),可以用圖2來表示。

圖2  給定信號為常數(shù)時的調節(jié)過程

4  仿真結果

    新推出的PSPICE9.1版本,工作于Windows9x/NT平臺上,CPU僅要求是奔騰以上、32M內存、100M以上剩余硬盤空間、800×600以上顯示分辨率,是功能強大的模擬電路和數(shù)字電路混合仿真EDA軟件。

    應用PSPICE進行仿真,仿真電路參數(shù)如下:

    輸入電壓    AC 220V;

    升壓電感    300μH;

    諧振電感    15μH;

    諧振電容    0.02μF;

    輸出電壓    450V;

    輸出電容    470μF;

    開關頻率    50kHz。

    圖3為軟開關波形圖,從上到下波形依次為:

    1)輸出電壓Uo;

    2)諧振電容電壓UCr;

    3)主功率開關管柵源電壓ugs;

    4)諧振電感電流ilr;

    5)諧振電路續(xù)流二極管電流iD2(iD3)。

    從圖3中可以看出,主功率開關管實現(xiàn)了零電流開通和零電壓關斷。

圖3  軟開關波形 

    圖4為單周期控制電路波形圖,從上到下波形依次為:

圖4  單周期控制波形圖

    1)開關脈沖信號;

    2)主功率開關管柵源電壓ugs;

    3)比較器輸出;

    4)積分器輸出電壓uint;

    5)參考電壓uref。

    從圖4中可以看出,當開關脈沖開通時,升壓電感電流上升,主功率開關和積分器同時開通,一旦積分器輸出達到參考電壓,比較器輸出高電平,D觸發(fā)器復位,同時關斷主功率開關和積分器,升壓電感電流也開始下降。

    圖5為輸入電流和輸入電壓仿真波形圖,從圖中可以看出,交流側電流與電壓同相位,從而實現(xiàn)了單位功率因數(shù)。

圖5  輸入電壓與輸入電流波形

5  結語

    由以上分析可知,帶有軟開關的單周期控制AC/DC變換器,當工作在不連續(xù)導電模式時,輸入電流波形自然地跟隨輸入電壓波形,功率因數(shù)高,線路簡單,動態(tài)響應快,效率高,預期在小功率開關電源領域內將會有廣泛的應用前途。

此內容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權禁止轉載。