基于模糊前馈混合控制的BOOST型PFC的研制

来源 :华南理工大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:skyman9907
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功率因数校正(Power Factor Correction)在电力电子变换器中的意义越来越明显,而功率因数校正技术的发展一直以来成为先进变换器设计的难题.对于那种精密电路,如音响电路等,负载冲击响应对于这个系统具有十分重要的影响,所以研制快速负载响应的BOOST型PFC成为本人研究的主要目标。 一般设计高性能PFC变换器中,研究人员经常要考虑的几个问题,包括变换器效率,电流谐波分布,负载变化的动态响应,以及与电源与EMI滤波器相互影响等问题。在这些设计问题中,PFC变换器的快速响应控制是单相PFC变换器控制中最具有挑战性的问题之一,而实际困难就在于由于具有两倍工频输出电压纹波而造成带宽的限制。如果设计一个带宽更大的电压环控制器来减少电压纹波,这样将导致电流波形的畸变和功率因数的降低。为了使整流出现的电压纹波平滑,必须采用一个具有1/6至1/4的两倍工频的低通滤波器。对于60Hz的工频截止频率大概是20-30Hz。虽然低通滤波器可以消除电压整流对电流环的影响,同时它却限制了PFC变换器的动态响应速度。 近年来,BOOST型PFC快速响应控制设计成为工程师们追求的目标。这些控制技术通过使用消除输出电压纹波所带来的影响来消除两倍工频输出电压纹波所造成带宽限制的影响。这些控制设计都是通过模拟芯片控制或者是用DSP来实现。然而这样或者不实际,或者存在很多工程实现方面的问题。同样采用模拟滤波器来消除输出电压纹波所产生的影响来获得更好的动态响应,而这种滤波器又存在年龄老化和对参数变化敏感等方面的问题。 因此,本文针对BOOST型PFC中电压环带宽的限制,提出了混合型模糊前馈控制策略,即在平均电流控制模式中电压环中加入了模糊前馈控制,能达到负载变化瞬间,系统的动态响应速度加快的目的。 为了提高BOOST型PFC的负载动态相应速度,本文对BOOST型PFC装置的动态特性进行了系统化的研究。首先,对功率因数校正的相关定义、及其谐波标准及其意义进行详细的阐述,并对BOOST PFC的大信号模型和小信号模型进行详尽的分析,同时对输入电流纹波和输出电压纹波产生的原因进行分析。在以上分析的基础上,对BOOST型PFC的常规控制策略进行了研究,对峰值电流控制、电流滞环控制、单周期控制及其平均电流模式控制方式进行了比较和分析,然后决定采用在平均电流模式下加入了模糊前馈环节的控制方式。根据这一控制策略,本文对BOOST型PFC进行了设计。由于模糊前馈环节对于负载电压变化的时候对电流环输入具有补偿作用,可以调整开关的占空比,使得BOOST型PFC变换器具有良好的负载冲击响应。最后,对平均电流控制模式下的PFC和模糊前馈混合控制下的PFC电路进行仿真,并在此基础上制作了实验样品。实际控制装置由TLCl549和TLC5615及其AT89C51组成的模糊前馈环节构成。通过对仿真结果和实验结果进行比较分析,验证了模糊前馈混合控制既可以取得高功率因数,又对于负载暂态响应具有良好的改善作用。论文的主要贡献在于结合了现代控制理论及其传统的电源设计,从而对于传统中电源设计存在的非线形限制及其鲁棒性差的问题有了比较好的解决方案,随着电力电子设备及其DSP等的发展和引入,模糊前馈控制将更加广泛的运用于电源设计中,当然也可以推广到各种控制场所。
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