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基于Buck-Boost-LLC单级AC-DC变换器的研究

基于Buck-Boost-LLC单级AC-DC变换器的研究

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作者：陈攀西南交通大学

学位级别：硕士

为了减小电力电子装置对电网的谐波污染,AC-DC变换器需要具备功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)功能。传统的两级式AC-DC变换器控制复杂,电路成本高,故在低功率应用场合,单级AC-DC变换器成为研究热点。单级AC-DC变换器可实现... 详细信息

为了减小电力电子装置对电网的谐波污染,AC-DC变换器需要具备功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)功能。传统的两级式AC-DC变换器控制复杂,电路成本高,故在低功率应用场合,单级AC-DC变换器成为研究热点。单级AC-DC变换器可实现功率因数校正、低电压输出和电气隔离,但是难以兼顾PF值、效率、宽输入电压和母线电压应力。为了拓宽单级AC-DC变换器输入电压范围的同时兼顾效率、PF值和低Bus电压应力,本学位论文从拓扑角度,通过开关管复用的方式,将级联型Buck-Boost变换器与LLC谐振变换器集成在一起,提出一种单级Buck-Boost-LLC AC-DC变换器;从控制角度引入了基于DFC的PFM/PWM混合控制策略与基于TSC的控制策略。对该变换器工作模式、基本特性以及控制策略的原理、算法实现进行了详细的分析。论文首先将级联型Buck-Boost变换器与LLC变换器通过开关管复用的方式集成,提出了一种单级Buck-Boost-LLC AC-DC变换器。对变换器工作原理、不同工作模态以及基本特性进行了分析,推导LLC单元实现软开关的约束条件;详细分析、推导Buck-Boost单元和LLC单元的功率表达式,分析出变换器在传统PFM调制下存在的问题,为后续混合控制策略的引入和变换器的参数优化设计奠定理论基础。其次,基于功率平衡分析,引入基于DFC的PFM/PWM混合控制策略,对DFC的基本原理和对应的混合控制进行了详细介绍,对关键工作波形、控制原理和算法实现做了详细阐述;优化了变换器的参数设计,并对关键变量与输入电压有效值关系进行了理论分析。最后搭建实验样机,验证理论分析的正确性。最后,对所提变换器引入了基于TSC的控制策略,对TSC的基本原理、系统控制策略、关键工作波形和算法实现进行了详细介绍。最后搭建实验样机,对理论分析进行实验,验证了其正确性。

关键词：功率因数校正 Buck-Boost 宽输入电压隔离型单级混合控制

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无桥隔离型Buck-Boost PFC变换器

无桥隔离型Buck-Boost PFC变换器

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作者：奥迪西南交通大学

学位级别：硕士

功率因数校正（Power Factor Correction,PFC）技术可以提高开关电源的功率因数,减小对电网造成的谐波污染,因此得到了广泛研究和应用。隔离型单级PFC变换器,相较于传统两级式PFC变换器,通过单级变换器即可实现功率因数校正、低电压输... 详细信息

功率因数校正（Power Factor Correction,PFC）技术可以提高开关电源的功率因数,减小对电网造成的谐波污染,因此得到了广泛研究和应用。隔离型单级PFC变换器,相较于传统两级式PFC变换器,通过单级变换器即可实现功率因数校正、低电压输出和电气隔离,具有器件少、结构简单、效率高等优点。而反激PFC变换器,作为一种典型的隔离型单级PFC变换器,在实际应用中常受到功率等级的限制。因此,本文提出了一种可用于更高功率等级的新型无桥隔离型Buck-Boost PFC变换器,对其不同的工作模式进行了详细的分析研究,并给出了相应的设计方法。首先,本文对级联型Buck-Boost变换器、双向开关型无桥PFC变换器和推挽变换器进行分析。在此基础上,提出了一种无桥隔离型Buck-Boost PFC变换器,对其在电感电流连续（Continuous Conduction Mode,CCM）Buck-Boost模式、电感电流断续（Discontinuous Conduction Mode,DCM）Buck-Boost模式及CCM Buck模式的基本工作原理进行分析,并利用状态空间平均方法,对其进行建模研究,得到直流稳态增益表达式和功率级的控制-输出传递函数,以便后续章节的分析与设计。其次,详细分析了无桥隔离型Buck-Boost PFC变换器在DCM Buck-Boost工作模式时的控制策略,推导其稳态特性关系,并给出关键的工作波形。研究了一种有源钳位方法,较好的解决DCM模式存在的励磁电感放电的问题。为指导样机设计,详细分析了主电路各主要器件的设计和选型方法,设计了精确的数字控制环路补偿器。通过仿真分析和实验验证了理论分析的正确性。再次,为了使无桥隔离型Buck-Boost PFC变换器适用于更高的功率等级,对其CCM工作模式进行详细的分析研究。从单周期控制的原理出发,推导出适用于CCM Buck-Boost工作模式的单周期控制方法一,基于单周期控制方程搭建了模拟控制框图。结合控制框图,分析了变换器的工作过程。为指导环路设计,借鉴峰值电流型控制的思想,将单周期控制的电流环与原功率级合并等效为新的功率级,对其建立了基于工频的低频小信号电路模型。给出了变换器的主电路和数字控制系统的详细设计过程。最后,为进一步提高变换器的效率,让其工作于CCM Buck+Buck-Boost模式,即分段工作于Buck模式和Buck-Boost模式,推导出单周期控制方法二,该控制方法可消除变换器在模式切换时的输入电流畸变。对该工作模式进行了与CCM Buck-Boost模式相似的分析和设计。通过仿真和实验验证了理论分析的正确性。

关键词：功率因数校正 Buck-Boost 无桥隔离型单级单周期控制

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