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平均电流控制的boost pfc变换器最恶劣传导EMI频谱分析

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中国电机工程学报 2014年第6期34卷 982-992页

作者：季清阮新波谢立宏叶志红航空电源航空科技重点实验室(南京航空航天大学) 光宝科技股份有限公司

平均电流控制的boost pfc变换器可能工作于电感电流在半个工频周期内全连续、部分断续和全断续的模式,且不同工作模式下,变换器的传导EMI频谱存在差异。为了分析变换器的最恶劣传导EMI频谱并简化EMI滤波器的设计,首先给出变换器不同工... 详细信息

平均电流控制的boost pfc变换器可能工作于电感电流在半个工频周期内全连续、部分断续和全断续的模式,且不同工作模式下,变换器的传导EMI频谱存在差异。为了分析变换器的最恶劣传导EMI频谱并简化EMI滤波器的设计,首先给出变换器不同工作模式的输入电压和负载条件,并给出开关管漏源极电压的波形。通过分析开关管漏源极电压的各次谐波幅值特性指出,传导EMI开关频率基波的最恶劣情况出现在电感电流全连续的工作模式下,其它次谐波的最恶劣情况出现在负载较轻的条件下。

关键词：传导电磁干扰 EMI频谱 EMI滤波器功率因数校正平均电流控制 boost pfc变换器

两种前级boost pfc变换器的比较研究

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浙江工业大学学报 2022年第6期50卷 634-638页

作者：谢路耀刘枭陈怡浙江工业大学信息工程学院浙江杭州310023 浙江工业大学之江学院浙江绍兴312030

中大功率的LED照明驱动器一般都包含前级boost pfc变换器。全面比较两种常用的前级boost pfc变换器——采用SiC二极管的电流连续模式(CCM)的boost pfc变换器和采用Si二极管的交错并联临界模式(CRM)的boost pfc变换器。480 W LED照明驱... 详细信息

中大功率的LED照明驱动器一般都包含前级boost pfc变换器。全面比较两种常用的前级boost pfc变换器——采用SiC二极管的电流连续模式(CCM)的boost pfc变换器和采用Si二极管的交错并联临界模式(CRM)的boost pfc变换器。480 W LED照明驱动器样机的实验结果表明:在后级DC-DC变换器相同的情况下,前级采用SiC二极管CCM boost pfc变换器的样机的THD和PF性能更优越、成本更低、体积更小,而前级采用交错并联CRM boost pfc变换器的样机的电感电流纹波更小、效率略高。

关键词： LED照明驱动器 boost pfc变换器电流连续模式临界模式 SiC二极管交错并联

CRM boost pfc变换器开关频率变化范围的优化控制

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CRM Boost PFC变换器开关频率变化范围的优化控制

作者：王祎南京理工大学

学位级别：硕士

boostpfc变换器凭借优异的性能在众多pfc变换器中占据了重要的位置,由于电感电流的连续情况不同,故有三种基本的工作模式,即连续模式(Continuous current mode,CCM),临界连续模式(Critical conduction mode,CRM),断续模式(Discontinuous... 详细信息

boostpfc变换器凭借优异的性能在众多pfc变换器中占据了重要的位置,由于电感电流的连续情况不同,故有三种基本的工作模式,即连续模式(Continuous current mode,CCM),临界连续模式(Critical conduction mode,CRM),断续模式(Discontinuous current mode,DCM)。CRM boostpfc变换器工作在电感电流临界连续模式,其开关管为零电流开通,升压二极管无反向恢复过程,控制相对简单,理论PF值可达到1,多用在中小功率场合。但是CRM模式下开关频率受输入电压和负载的影响,变化范围很大,工频周期内开关频率的最大值和最小值之比可达几倍至十余倍,这不仅导致EMI滤波器的设计较为复杂,更会带来开关管关断损耗和电感磁芯损耗的增加,降低变换器的整体效率,甚至在高压输入和轻负载时开关频率会异常高而影响变换器的正常工作。针对CRM boost pfc变换器开关频率变化范围大这一缺点,本文提出了两种新的控制方法,一种是最优三次谐波控制,通过在输入电流中注入最优量的三次谐波,使得工频周期内开关频率变化范围最大幅度减小。另一种是定频的控制方法,在三次谐波的基础上进一步注入五次和七次谐波,使得固定工况下开关频率在工频周期内恒定。值得注意的是,这两种新的控制方法下输入电流的谐波均满足IEC 61000-3-2 ClassD标准。与传统控制相比,开关频率变化范围减小,简化了 EMI滤波器和电感的设计,改善了输入滤波效果,降低了输出电压纹波,同时减小了开关损耗和磁芯损耗,提高了变换器效率。最后制作了两台120W的原理样机并进行实验,实验结果验证了理论分析的正确性。

关键词： boost pfc变换器临界连续模式开关频率变化范围三次谐波五次和七次谐波

单相boost pfc变换器的直流母线电容参数检测方法研究

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单相Boost PFC变换器的直流母线电容参数检测方法研究

作者：罗天柱重庆大学

学位级别：硕士

AC/DC电源在各领域中的应用日益广泛,特别是军事和医用领域,对其可靠性的要求也越来越高。统计数据表明,AC/DC电源中失效率最高的元器件是直流母线铝电解电容,其失效会导致变换器失稳,甚至造成系统崩溃。因此,对直流母线铝电解电容进行... 详细信息

AC/DC电源在各领域中的应用日益广泛,特别是军事和医用领域,对其可靠性的要求也越来越高。统计数据表明,AC/DC电源中失效率最高的元器件是直流母线铝电解电容,其失效会导致变换器失稳,甚至造成系统崩溃。因此,对直流母线铝电解电容进行状态监测以确保AC/DC变换器安全可靠运行是非常有必要的。本文以boost pfc变换器直流母线电容为研究对象,探索了基于谐波响应的电容参数在线检测方法,论文完成的主要内容包括:(1)提出无电容电流采样的直流母线电容参数C在线检测方法。现有的电容参数C的检测算法多基于电容伏安关系实现,部分算法须同时采样电容电压和电容电流。本文基于输入输出瞬时功率平衡和电容二次频率特性,直接导出参数C的计算模型,设计出无电容电流采样的电容C参数在线检测方案。所提检测方案分别应用于boost pfc变换器和两级AC/DC/DC变换器中,其实验检测误差小于6%。(2)提出高次谐波电流注入的直流母线电容参数在线检测方法。电容的ESR更能体现电容的健康状态,本文利用电容的高次谐波频率特性可以同步检测电容参数C和ESR。但是高次谐波注入会带来电流跟踪控制问题,造成电流的过零畸变,影响检测精度。本文综合考虑高次谐波注入下的输入电流过零畸变对检测精度的量化影响,给出C和ESR的修正计算模型,改进检测精度。所提母线电容参数C和ESR检测方案在boost pfc变换器进行实验验证,其检测误差小于10%。(3)提出局部谐波电流注入的直流母线电容参数在线检测方法,规避了(2)中全局注入法的电流过零畸变现象,简化了参数检测算法。应用瞬时功率平衡和离散傅里叶变换(DFT)思想,建立了三个关联频率点的电容模型,导出电容参数C和ESR的计算模型。所提方案在前述的实验平台进行实验验证,其检测误差小于7%。

关键词：直流母线电容参数检测功率平衡谐波注入 boost pfc变换器

基于GaN器件的CRM boost pfc变换器研究

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基于GaN器件的CRM Boost PFC变换器研究

作者：刘天宁中国矿业大学

学位级别：硕士

在消费电子领域,功率因数校正(Power Factor Correction,pfc)变换器亟需在保持高功率因数的同时提高效能、减小设备尺寸。增大开关频率是提升pfc变换器功率密度的最主要方式。在小功率场合,常采用的形式是CRM boost pfc变换器,当变换器... 详细信息

在消费电子领域,功率因数校正(Power Factor Correction,pfc)变换器亟需在保持高功率因数的同时提高效能、减小设备尺寸。增大开关频率是提升pfc变换器功率密度的最主要方式。在小功率场合,常采用的形式是CRM boost pfc变换器,当变换器开关频率接近MHz级时,传统的Si MOSFET开关损耗激增,导致变换器总效率降低。作为宽禁带半导体器件,氮化镓(GaN)器件的商用产品日趋成熟,使高频CRM boost pfc变换器的实现成为可能。目前国内对使用GaN器件作为开关管的CRM boost pfc变换器研究较少,国内外已有的研究并没有全面考虑高频工作带来的输入电流过零畸变率过高、优化驱动电路和控制电路反馈环补偿等问题。首先,分析了基于GaN器件的CRM boost pfc变换器功率因数校正原理,深入分析与对比Cascode GaN晶体管与超结Si器件的静态特性。接着通过建立数学模型对基于GaN器件的CRM boost pfc变换器进行稳态分析。其次,研究了基于GaN器件的CRM boost pfc变换器主电路。根据实际生产需求确定变换器目标参数,通过推导数学约束条件进行元器件选型。分析Cascode GaN晶体管考虑寄生参数时的开关过程后,采用增大驱动电阻的方法改善开通过程中的误关断现象,通过仿真验证了理论的正确性。对比了Cascode GaN晶体管和超结Si器件的开关时间和开关损耗。分析高频CRM boost pfc变换器改善输入电流过零畸变的必要性,采用改善零电流检测电路延迟的策略抑制输入电流过零畸变,通过仿真验证了理论分析的正确性。再次,研究了基于GaN器件的CRM boost pfc变换器的控制电路,建立了更精确的变换器损耗计算模型。推导闭环传递函数,通过波特图分析反馈环的稳定性,针对高频情况设计反馈环路补偿。为减少损耗计算误差,采用双脉冲测试仿真的方式计算开关管的开关损耗,同时推导变换器各部分的损耗计算模型。分析变换器总效率和各部分损耗占比,对比变换器使用GaN器件和Si器件时的开关损耗与通态损耗占比。运用PSpice仿真工具搭建主电路和控制电路,仿真分析变换器达到稳态的时间、功率因数校正效果和输出电压纹波等。最后,搭建基于Cascode GaN晶体管的双脉冲测试平台和CRM boost pfc变换器实验平台,对GaN器件的动态特性及损耗、基于GaN器件的CRM boost pfc变换器的控制电路性能、效率提升和输入电流过零畸变抑制效果进行验证。

关键词： boost pfc变换器电流临界模式 GaN器件损耗研究

谷值V2控制boost pfc变换器快时标分岔现象抑制

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电工电气 2023年第4期 1-5页

作者：王宇隆高志强周雪松房磊王硕许东辉天津理工大学天津市复杂系统控制理论与应用重点实验室天津300384

为抑制boost pfc变换器中的快时标分岔现象,采用频闪映射的方法对变换器建立数学模型,通过MATLAB/Simulink仿真软件绘制出电感电流的时域波形图和频闪采样图进行分析。施加谷值V2控制对变换器中的快时标分岔现象进行抑制,将传统斜坡补... 详细信息

为抑制boost pfc变换器中的快时标分岔现象,采用频闪映射的方法对变换器建立数学模型,通过MATLAB/Simulink仿真软件绘制出电感电流的时域波形图和频闪采样图进行分析。施加谷值V2控制对变换器中的快时标分岔现象进行抑制,将传统斜坡补偿控制快时标分岔和谷值V2控制进行比较分析,仿真结果表明:在同等参数条件下谷值V2控制的控制效果较优于斜坡补偿控制,且谷值V2控制具有瞬态响应快、工程应用实现简单等优点。

关键词：快时标分岔 boost pfc变换器谷值V2控制频闪映射

考虑寄生参数的DCM boost pfc建模分析研究

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考虑寄生参数的DCM Boost PFC建模分析研究

作者：云珂南京理工大学

学位级别：硕士

电路中的寄生参数会导致DCM boost pfc变换器的输入电流发生畸变,在变换器中加入RCD吸收电路是抑制振荡的一种简单有效的方法。本文主要研究RCD吸收电路对DCM boost pfc变换器的影响,以及最优参数的选取原则。本文首先介绍了功率因数校... 详细信息

电路中的寄生参数会导致DCM boost pfc变换器的输入电流发生畸变,在变换器中加入RCD吸收电路是抑制振荡的一种简单有效的方法。本文主要研究RCD吸收电路对DCM boost pfc变换器的影响,以及最优参数的选取原则。本文首先介绍了功率因数校正技术的研究背景以及boost pfc变换器的工作模式和控制策略,阐述了关于DCM boost pfc变换器寄生振荡问题的研究现状,给出了DCM boost pfc变换器的工作原理和电路中各元器件含有的主要寄生参数。其次,对含有RCD吸收电路的boost pfc变换器进行建模分析,建立了各振荡阶段的等效电路。根据电感电流微分方程的根轨迹,揭示了其特征根的分布情况,得到不同RC参数下特征根的分布图,详细推导了几种情况下的电感电流表达式,分析了不同特征根形式的RC参数对寄生振荡的影响。然后,根据电感电流平均模型,建立RC参数与输入电流总谐波畸变率之间的关系,得到最优参数关于寄生参数的表达式。针对常用的主流器件制造商,根据不同的额定负载功率进行变换器参数设计和功率器件选型,采用所提方法进行RC参数的计算和选取,验证了所提原则的通用性。最后,搭建了一台额定功率为1kW的boost pfc变换器样机,在不同输入电压和负载下进行测试,实验结果表明RCD吸收电路对寄生振荡的抑制效果较好,实验结果与理论分析一致。

关键词：功率因数校正 boost pfc变换器断续模式寄生振荡抑制 RCD吸收电路

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电流纹波补偿控制技术的研究

电流纹波补偿控制技术的研究

作者：方慧敏重庆大学

学位级别：硕士

纹波电流控制因其动态响应快、结构简单、成本低等特点被广泛应用于开关功率变换器的控制中。然而控制还存在不足:传统的双环纹波电流控制结构中电压外环补偿器设计存在带宽限制会制约系统动态性能;电流控制精度较差,致其在电流需精确... 详细信息

纹波电流控制因其动态响应快、结构简单、成本低等特点被广泛应用于开关功率变换器的控制中。然而控制还存在不足:传统的双环纹波电流控制结构中电压外环补偿器设计存在带宽限制会制约系统动态性能;电流控制精度较差,致其在电流需精确控制场合受限;系统抗干扰能力差,容易发生次谐波振荡等快变不稳定行为,会导致系统工作性能恶化,甚至不能稳定工作。基于此,本文将在纹波电流控制的基础上,保留其控制结构简单、动态响应快的优势,改进控制存在的不足,结合平均电流控制中电流控制精度较高的特点,探索一种电流纹波补偿控制技术—纹波补偿平均电流控制,并结合DC-DC变换器和AC-DC变换器,验证所提控制的有效性。论文完成的主要工作及成果归类如下:首先,本文提出了一种纹波补偿平均电流控制策略,解决传统纹波电流控制存在的不足,进一步提升系统的工作性能。控制的主要思路为改进电压外环,取消外环补偿器积分环节,提升系统动态响应,引入前馈保证系统稳态输出无差;内环引入纹波补偿,实现平均电流控制,提高电流控制精度;与此同时,纹波补偿信号的引入可实现对次谐波振荡的有效抑制,控制系统稳定。本部分纹波补偿平均电流控制策略的提出为进一步提升开关功率变换器系统的工作性能提供了可行性控制方案。其次,为验证纹波补偿平均电流控制策略的有效性,本文结合具体对象对所提控制进行了理论分析和实验验证。在DC-DC变换器中,以Buck变换器为主要研究对象,推出控制结构,并对其进行进一步简化,构建出相应控制方程,通过小信号模型对进行性能分析与参数优化选取。在AC-DC变换器中,以boost pfc变换器为研究对象,通过功率平衡重构内环电流参考,结合小信号模型和仿真分析进行控制参数的优化选取。最后通过相关仿真和模拟电路实验验证所提控制在开关功率变换器中应用的有效性和理论分析的正确性,本部分的研究为纹波补偿平均电流控制在实际工程应用中提供了理论指导。

关键词：纹波电流控制电流纹波补偿控制纹波补偿平均电流控制 Buck变换器 boost pfc变换器

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开关管变驱动技术及损耗研究

开关管变驱动技术及损耗研究

作者：邱志卓华东交通大学

学位级别：硕士

随着开关电源的高频化,开关管的开关损耗在总损耗中的占比也逐渐增大。影响开关损耗的因素有很多,如主电路工作状态、驱动电路、器件自身特性、电路中寄生参数等都对开关损耗有影响。而常见的调节功率管开关损耗的方法是调整驱动电路。... 详细信息

随着开关电源的高频化,开关管的开关损耗在总损耗中的占比也逐渐增大。影响开关损耗的因素有很多,如主电路工作状态、驱动电路、器件自身特性、电路中寄生参数等都对开关损耗有影响。而常见的调节功率管开关损耗的方法是调整驱动电路。但调整驱动电路不仅会影响功率管的开关损耗,同时也会影响开关管开通时的电流尖峰、关断时的电压尖峰,以及驱动电路自身及功率管开关带来的EMI。本文首先分析了传统驱动电路开关过程中各电量的变化,在此基础上分析了恒流驱动下开关管关断损耗与驱动关断电流及关断电压尖峰的关系。再根据上述分析设计了一种根据开关管电流实时调整器件关断电流的变恒流驱动电路,对该驱动电路的工作原理、参数设计及控制方法进行了详细叙述。搭建单相半桥逆变器和单相boost pfc变换器,介绍了这两种电路的工作原理、参数设计、建模及数字控制。将本文所提的变恒流驱动电路运用到这两种主电路中,并根据这两种电路的开关管关断电压尖峰与关断电流、驱动电流和漏感之间的关系,设计驱动关断电流,使驱动关断电流随开关管关断电流的下降而上升,提高了开关管在全负载范围内的关断速度,降低了开关管的关断损耗且保证关断电压尖峰不会超过设定的最大允许值。最后通过实验,验证了本文所提变恒流驱动电路的有效性。

关键词：开关损耗驱动电路电压尖峰逆变器 boost pfc变换器