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有源浮充平台在单相功率因数校正变换器中的应用研究

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有源浮充平台在单相功率因数校正变换器中的应用研究

作者：叶雪辉重庆大学

学位级别：硕士

随着计算机和互联网技术的迅猛发展,中央处理器(Central Processing Unit,CPU)的信息处理容量日益增加,工作电流不断增大;同时为了减小能量损耗则要求供电电压越来越低,预计未来CPU供电设备要求电流超过100A而电压却低于1V,低压大电流... 详细信息

随着计算机和互联网技术的迅猛发展,中央处理器(Central Processing Unit,CPU)的信息处理容量日益增加,工作电流不断增大;同时为了减小能量损耗则要求供电电压越来越低,预计未来CPU供电设备要求电流超过100A而电压却低于1V,低压大电流输出是必然的发展趋势。从传统的Boost型有源功率因数校正器(Active Power Factor Correction, APFC)的输出电压400V变换到CPU所需的1V需要经过多级变换器,这样不仅电路结构复杂,也使得效率难以保证,因此有必要降低Boost型APFC的输出电压。本文研究了有源浮充平台(Active Floating Charge Landing, AFCL)在单相Boost型APFC中的应用,其可以将输出电压从传统的400V降到200V,有利于后级变换器的设计。双频变换器技术可以在提高系统性能的同时提高变换器的效率,搭建双频有源浮充平台,并将其应用于Boost型APFC中,能够解决因有源浮充平台的加入而使APFC开关损耗显著增大的问题。本文首先介绍了APFC和双频变换器技术的发展,阐述了带有源浮充平台Boost型APFC研究的目的和意义。分析了传统Boost型APFC输出电压常控制在400V的原因,说明了传统Boost型APFC的开关损耗,并推导了其输出电压纹波表达式。然后对各种带有源浮充平台的Boost型APFC拓扑进行了比较分析,推导了其中两种拓扑的交流小信号模型和输出电压纹波表达式,并用上升沿调制单周控制和电荷控制实现了对其中一种输出接地拓扑的控制。搭建双频有源浮充平台,将其应用于Boost型APFC中,分析了带双频有源浮充平台的Boost型APFC的工作原理,并对其控制方法进行了研究。另外对带单频有源浮充平台的双频Boost型APFC以及带双频有源浮充平台的双频Boost型APFC拓扑也进行了初步探讨。最后,本文设计了带单频和双频有源浮充平台的Boost型APFC的主电路参数,并在仿真软件Saber中对这两种变换器进行了仿真,仿真结果验证了理论分析的正确性。

关键词： Boost型APFC 有源浮充平台双频交流小信号模型输出电压纹波

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带有源浮充平台的单相功率因数校正变换器

电网技术 2007年第16期31卷 67-71页

作者：陆治国邓文东杨雪松石磊高电压与电工新技术教育部重点实验室(重庆大学) 重庆市沙坪坝区400044 重庆市电力公司重庆市渝中区400015 爱默生网络能源有限公司广东省深圳市518057

为消除Boost变换器用于两级功率因数校正(power factor correction,PFC)器前级时的升压作用对输出电压的影响,作者用充电泵功率因数校正变换器构造了有源浮充平台电路,并将其应用于单相Boost型PFC变换器中,设计了带有源浮充平台的单相... 详细信息

为消除Boost变换器用于两级功率因数校正(power factor correction,PFC)器前级时的升压作用对输出电压的影响,作者用充电泵功率因数校正变换器构造了有源浮充平台电路,并将其应用于单相Boost型PFC变换器中,设计了带有源浮充平台的单相功率因数校正变换器。该变换器保持了传统Boost型PFC变换器的优点,输出电压大大降低,拓宽了PFC电路的应用范围,为设计后级DC-DC变换器提供了便利。仿真分析和实验结果均表明,该变换器的输出电压大大降低,可实现单位功率因数校正,具有良好的动态性能。

关键词：功率因数校正(PFC) Boost变换器有源浮充平台单周控制

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带有源浮充平台的升压型变换器

电气应用 2009年第20期28卷 34-38页

作者：陆治国林贤贞胡红琼邓文东重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室四川泸州电业局重庆江北供电局

针对基本Boost变换器在输入、输出电压相差悬殊时,占空比过大问题,构造了一种带有源浮充平台的升压变换器(AFCL-Boost)。文中对构造的拓扑进行了详细的稳态和动态分析,并与传统两相交错型Boost变换器Saber仿真结果对比表明,由于构造的... 详细信息

针对基本Boost变换器在输入、输出电压相差悬殊时,占空比过大问题,构造了一种带有源浮充平台的升压变换器(AFCL-Boost)。文中对构造的拓扑进行了详细的稳态和动态分析,并与传统两相交错型Boost变换器Saber仿真结果对比表明,由于构造的拓扑在基本Boost变换器中加入了有源浮充平台单元,不仅具有大变比的电压转换能力和实现电感电流的交错并联,而且当占空比不小于0·5时无需采取任何均流措施就能实现自动均衡各相电感电流,简化了控制电路。同时构造的拓扑具有开关应力小和效率高的特点。

关键词：有源浮充平台升压变换器移相控制

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双频有源浮充平台在单相PFC中的应用研究

电气应用 2008年第8期27卷 79-82页

作者：叶雪辉陆治国胡红琼重庆大学输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室 400044 四川泸州电业局 646000

当Boost变换器用于两级功率因数校正器(Power Factor Correction,PFC)的前级时,由于其升压作用的影响,其应用范围受到了限制。带有源浮充平台(Floating Charge Land-ing,FCL)的单相Boost型PFC降低了传统Boost型PFC的输出电压,拓宽了PFC... 详细信息

当Boost变换器用于两级功率因数校正器(Power Factor Correction,PFC)的前级时,由于其升压作用的影响,其应用范围受到了限制。带有源浮充平台(Floating Charge Land-ing,FCL)的单相Boost型PFC降低了传统Boost型PFC的输出电压,拓宽了PFC电路的应用范围,为后级变换器的设计提供了便利,具有较好的应用前景。但由于有源浮充平台的加入,使得开关损耗增加,降低了变换器的效率。为此提出了双频有源浮充平台的概念,并将其应用于单相Boost型PFC中,比较带单频FCL的PFC,在保持系统特性的同时提高了效率,仿真结果验证了理论分析的正确性。

关键词：双频有源浮充平台 PFC 效率

新型电压调整模块——带有源浮充平台的Buck变换器

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低压电器 2007年第23期 60-64页

作者：刘小将陆治国重庆大学高电压与电工新技术教育部重点实验室重庆400044

针对基本Buck变换器在输入、输出电压相差悬殊时占空比过小问题,提出了一种新型电压调整模块——带有源浮充平台Buck变换器。该拓扑在基本Buck变换器中加入了有源浮充平台单元,不仅具有大变比的电压转换能力,输出电感电流的交错并联,而... 详细信息

针对基本Buck变换器在输入、输出电压相差悬殊时占空比过小问题,提出了一种新型电压调整模块——带有源浮充平台Buck变换器。该拓扑在基本Buck变换器中加入了有源浮充平台单元,不仅具有大变比的电压转换能力,输出电感电流的交错并联,而且具有自动均衡各相电感电流的能力,无需采取任何均流措施,具有控制电路简化、开关应力小和效率高等特点。对新拓扑进行了详细的稳态和动态分析,仿真和实验结果证明了对新拓扑理论分析的正确性。

关键词：有源浮充平台多相交错并联降压型变换器电压调整模块

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带有源浮充平台降压型变换器的研究

带有源浮充平台降压型变换器的研究

作者：刘小将重庆大学

学位级别：硕士

电压调节模块(VRM)是专门为CPU、FPGA等集成电路供电的直流—直流模块电源,是现在开关电源领域中研究的一个热点和难点。随着超大规模集成电路的集成度越来越高,VRM低压大电流、快速动态响应、低输出电压纹波、高功率密度等特点,给电源... 详细信息

电压调节模块(VRM)是专门为CPU、FPGA等集成电路供电的直流—直流模块电源,是现在开关电源领域中研究的一个热点和难点。随着超大规模集成电路的集成度越来越高,VRM低压大电流、快速动态响应、低输出电压纹波、高功率密度等特点,给电源设计者提出了前所未有的挑战。目前,5～12 V输入DC/DC变换器广泛应用于VRM场合,为了进一步提高功率密度,未来VRM输入总线电压将不断提高达到48V。考虑到传统Buck变换器虽然具有结构简单、设计容易及采用交错并联技术的优点,但当输入、输出电压相差悬殊时其面临开关占空比过小、效率低等众多问题。为了充分利用Buck变换器的优点克服其缺点,在基于有源浮充平台思想并深化的基础之上,本课题将有源浮充平台技术应用到Buck变换器中,构造了一种新的适合应用于微处理器电压调节模块的电路拓扑。本文主要研究工作:首先,基于有源浮充平台思想提出了带有源浮充平台的Buck变换器,对比传统Buck变换器对新拓扑的工作原理、特点和小信模型进行了详细分析和阐述;其次,在新拓扑中引入磁集成技术,深入分析磁路耦合效应对变换器电感稳态电流、动态电流变化率的影响,同时对耦合电感的设计进行细致的理论分析;再次,在分析比较VRM的传统控制方法的基础上,并结合新拓扑的特点,对新拓扑的控制提出采用一种具有结构简单、动态响应快的组合型控制方法,详细分析了控制电路的工作原理。同时,对系统进行了建模分析;最后,具体深入分析了主电路参数设计和补偿网络设计原理,采用Saber仿真软件对电路建模进行了大量的仿真以验证了理论分析的正确性。

关键词：有源浮充平台电压调节模块同步整流交错并联磁集成

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带有源浮充平台的升压型变换器的研究

带有源浮充平台的升压型变换器的研究

作者：林贤贞重庆大学

学位级别：硕士

当今全球能源紧张、油价高涨的时代,寻找新能源作为化石燃料的替代品是当务之急。因为氢能的优势明显,清洁、高效,因此得到各国政府的大力支持,加上各种能源动力企业对燃料电池的发展信心十足,所以燃料电池未来市场将有巨大的上升空间... 详细信息

当今全球能源紧张、油价高涨的时代,寻找新能源作为化石燃料的替代品是当务之急。因为氢能的优势明显,清洁、高效,因此得到各国政府的大力支持,加上各种能源动力企业对燃料电池的发展信心十足,所以燃料电池未来市场将有巨大的上升空间。但是由于燃料电池输出为低压大电流的直流电,单体的工作电动势一般约0.7V左右,应用时一般多个串联。然而如果采用过多的单元串联成燃料电池堆去获得比较高的电压输出时,这就很容易使其中的某个电池单元失效而导致整个电池堆栈不能工作。另外,由于燃料电池输出电压很容易受负载的变化而变化,因此需要一种大变比的输出输入电压转换关系,宽输入,稳定输出而且输入电流纹波小的升压变换器来满足这些要求以便于实际应用。考虑到传统Boost变换器当输入、输出电压相差悬殊时其面临开关占空比过大等问题,隔离型Boost变换器在其输入电压范围比较宽时会使得变压器原副边匝比变小,占空比的变化范围很宽,增加功率器件应力和电路中的环流,从而导致变换器不能优化设计,效率降低。而对于带耦合电感的Boost变换器由于漏感产生电压尖峰,造成比较严重的EMI问题,同时对其电感电流纹波脉动比较大。所以本文采用一种带有源浮充平台的Boost变换器来作为燃料电池供电系统中DC-DC变换器,该变换器具有大变比的电压转换能力,同时在占空比大于等于0.5时具有自动均流各相电感电流的能力,开关应力小、纹波电流小、效率高等特点。本文主要由以下几部分组成:(1)简述了燃料电池的发展意义及应用,分析了燃料电池的特点及输出特性,并阐述了燃料电池供电系统中DC-DC变换器的特点及需解决的问题;(2)对构造的3种带有源浮充平台的升压型变换器拓扑进行理论分析和比较。并采用了第一种拓扑(AFCL-Boost)作为研究;(3)结合其应用和拓扑的特点,控制方法采用带电流反馈的双环单周控制方法,并分析了控制电路的工作原理;(4)对带电流反馈的双环单周控制的AFCL-Boost系统进行设计,采用Saber仿真软件对系统的稳态、动态性能进行仿真,最后对其系统进行了小功率电路的实验验证,通过实验验证了本文所研究的AFCL-Boost理论分析和仿真的正确性。

关键词：有源浮充平台燃料电池单周控制 Boost变换器

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带有源浮充平台的陡降型Buck变换器研究

带有源浮充平台的陡降型Buck变换器研究

作者：邓文东重庆大学

学位级别：硕士

随着计算机和互联网技术的迅猛发展,CPU对信息处理容量日益增加、处理速度不断提高,工作电流越来越大;与此同时,其工作电压却越来越低。低压大电流的负载特性对为其供电的电源模块提出了严峻的挑战,电力电子技术,特别是开关电源技术的... 详细信息

随着计算机和互联网技术的迅猛发展,CPU对信息处理容量日益增加、处理速度不断提高,工作电流越来越大;与此同时,其工作电压却越来越低。低压大电流的负载特性对为其供电的电源模块提出了严峻的挑战,电力电子技术,特别是开关电源技术的高速发展,为解决CPU供电瓶颈提供了解决方案。本文结合未来CPU发展对电源技术的要求,分析了为其供电的非隔离型12V输入电压调整模块(Voltage Regular Module,VRM)的典型电路拓扑以及控制方法,研究了各种拓扑和控制方法的优点和缺点。根据VRM输出电压低、输出电流大的特点,将有源浮充平台(Floating Charge Landing,FCL)技术应用于传统Buck变换器中,构成带有源浮充平台的陡降型Buck变换器。由于有源浮充平台的加入,降低了Buck变换器的部分输入或者输出电压,因此该变换器在扩展占空比的同时更易于实现较低的输出电压,采用电荷控制可以减小输出电压纹波并具有良好的动态响应特性,使其适合于未来CPU的供电。论文的主要工作如下:①对VRM发展进行了回顾,研究了Buck型非隔离VRM变换器,简要分析了工作原理,总结了各种变换器的优缺点。②分析了有源浮充平台的工作原理,将有源浮充平台加入到传统Buck变换器电路中,对比其在电路中所处位置,提出了带有源浮充平台的陡降型Buck变换器。分析了该变换器工作原理,建立了能够实现电压陡降的理论,推导出了该变换器的电压增益。③对比了不同的电压型和电流型控制策略,分析其控制原理,总结了各种控制策略的优缺点。将电荷控制应用于带有源浮充平台的陡降型Buck变换器中,建立了系统控制框图。④采用Saber仿真软件对带有源浮充平台的陡降型Buck变换器建模,并对稳态和系统发生干扰时的电路进行了仿真研究,验证了理论分析的正确性。

关键词：有源浮充平台陡降 Buck变换器电压调整模块电荷控制

带有源浮充平台的单相功率因数校正变换器的研究

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带有源浮充平台的单相功率因数校正变换器的研究

作者：石磊重庆大学

学位级别：硕士

随着电力电子技术的不断发展,越来越多的电力电子装置被广泛应用于不同的领域,随之产生的谐波污染问题也引起了越来越多的重视。常用的解决谐波问题的方法是采用功率因数校正(PFC)技术,而由于Boost变换器具有输入电流畸变小、效率高并... 详细信息

随着电力电子技术的不断发展,越来越多的电力电子装置被广泛应用于不同的领域,随之产生的谐波污染问题也引起了越来越多的重视。常用的解决谐波问题的方法是采用功率因数校正(PFC)技术,而由于Boost变换器具有输入电流畸变小、效率高并且可直接控制电感电流以控制输入电流等优点经常被用于两级PFC的前级以实现高功率因数。然而由于Boost变换器的升压作用,其输出电压高于输入电压的峰值,在220V交流输入的情况下,输出电压经常控制在400V左右。较高的输出电压一方面增加了器件的开关损耗,另一方面给变换器中功率器件的选择带来了困难,同时由于输出的高电压,也给两级变换器中的后级DC-DC变换器设计带来了困难。针对此问题本论文提出了有源浮充平台(Floating Charge Landing)的概念,并将其应用于传统的单相Boost型PFC变换器中,并对FCL在Boost变换器不同位置时的拓扑进行了分析,提出了带有源浮充平台的单相Boost PFC变换器,该变换器在保持传统Boost PFC变换器优点的同时,使输出电压大为降低,在220V交流输入情况下,其输出电压可降低至200V左右。拓宽了电路应用范围,降低了开关器件的电压应力,同时也有利于后级DC-DC变换器的设计。论文的主要成果如下:1)介绍了几种常用的功率因数校正方法,对比了它们的特点,简要分析了传统单相Boost型PFC变换器的工作原理和几种常用的控制方法。2)提出了带有源浮充平台的单相Boost型PFC变换器,分析了其工作原理及其在不同开关状态下的电路结构,并推导了新型PFC变换器输入电流的有效值,以及浮充平台中流过浮充电感的电流表达式。3)推导出了新型变换器实现单位功率因数的控制方程,介绍了单周控制的基本思想和控制原理,并将单周控制的方法应用于新型变换器中,建立了系统框图。用仿真软件对整个系统分别进行了稳态情况下以及在输入电压突变和负载突变情况下的仿真分析。4)在理论分析和仿真的基础上,设计并制作了一个小功率的样机。实验结果证明了理论分析以及仿真结果的正确性。

关键词：功率因数校正 Boost变换器有源浮充平台单周控制