CCM Boost PFC变换器离散脉冲调制及控制技术研究

作     者：胡嘉豪 

作者单位：西南交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：沙金

授予年度：2023年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：Boost变换器 连续导通模式 功率因数校正 脉冲序列调制 离散占空比 

摘      要：功率因数校正（Power Factor Correction,PFC）变换器被用于解决谐波污染和电能质量问题。平均电流模式（Average Current Mode,ACM）控制连续导通模式（Continuous Conduction Mode,CCM）Boost PFC变换器因具有功率因数（Power Factor,PF）高、输入电流总谐波畸变（Total Harmonic Distortion,THD）低、电磁干扰（Electronmagnetic Interference,EMI）小等优点，广泛应用于中大功率场合。但是，ACM控制的电压和电流控制环路相互耦合，电压控制环路的输出电压二倍工频纹波会被引入到电流控制环路中，造成输入电流畸变，PF降低。为了避免二倍工频纹波对输入电流的影响，通常将ACM控制的电压控制环路带宽设计为10~20Hz。然而，较低的带宽导致变换器系统较慢的动态响应速度。因此，本文基于脉冲序列调制（Pulse Train Modulation,PTM）方法，提出一类离散占空比（Discrete Duty Cycle,DDC）控制方法，旨在保证变换器具有高功率因数的前提下，大幅提升系统的动态性能。 首先，考虑电压和电流控制环路解耦，构建了CCM Boost PFC变换器具有单位功率因数的统一的目标占空比函数。基于PTM原理，提出了CCM Boost PFC变换器的离散电压和电流控制环路的设计规则。通过对目标占空比函数进行离散化，获得离散占空比，并根据离散占空比选取规则，实现对目标占空比函数的精确快速拟合。 其次，提出了CCM Boost PFC变换器的双环离散占空比(Double Loop Discrete Duty Cycle,DL-DDC)控制方法。研究了离散脉冲系数KV和KI的设计方法和单位功率因数目标占空比函数的拟合曲线，以指导KV和KI的设计。搭建了输入电压110Vac，输出电压400V，输出功率320W的CCM Boost PFC变换器实验样机，与传统ACM控制方法相比，DL-DDC控制的电压与电流控制环路解耦，其控制的CCM Boost PFC变换器能够实现更高的PF（0.998）、更低的THD（5%）和更快的动态响应速度（1ms）。 再次，提出了CCM Boost PFC变换器的电压环离散占空比(Voltage Loop Discrete Duty Cycle,VL-DDC)控制方法。研究了离散脉冲系数KV对输入功率范围、PF、THD、输出电压纹波和寄生参数容错性等稳态性能的影响，以指导KV的设计。实验对比分析了电流环离散占空比（Current Loop Discrete Duty Cycle,CL-DDC）控制、DL-DDC控制、VL-DDC控制和ACM控制的稳态及动态控制性能，相较于CL-DDC控制和DL-DDC控制方法，VL-DDC控制方法大大改善了电感电流的正弦度，其控制的CCM Boost PFC变换器具有更高的PF（0.999）和更低的THD（3%）。 最后，建立了DL-DDC控制和VL-DDC控制CCM Boost PFC变换器的离散时间迭代模型。通过时域频闪映射、分岔图和相轨图等动力学分析研究方法，研究了离散脉冲系数分布方式对CCM Boost PFC变换器系统稳定性、稳态和动态控制性能的影响机制，从动力学行为角度解释了DL-DDC控制和VL-DDC控制CCM Boost PFC变换器具有高功率因数和快速动态响应的原理。