【摘 要】
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AC/DC变换器中通常需采用功率因数校正(PFC)技术来减轻电力电子设备产生的谐波电流对电网的影响。现代电力电子设备的广泛应用,对PFC变换器的谐波失真(THD)、功率因数(PF)和效率等各项性能提出了更高的要求。电路拓扑的演进、新型器件的使用及优化和各种控制策略的改进促进了PFC变换器功率因数和效率等指标的极大提升。本文从电路整体设计及变换器模型的角度出发,研究了PFC变换器的效率优化和电流失真
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AC/DC变换器中通常需采用功率因数校正(PFC)技术来减轻电力电子设备产生的谐波电流对电网的影响。现代电力电子设备的广泛应用,对PFC变换器的谐波失真(THD)、功率因数(PF)和效率等各项性能提出了更高的要求。电路拓扑的演进、新型器件的使用及优化和各种控制策略的改进促进了PFC变换器功率因数和效率等指标的极大提升。本文从电路整体设计及变换器模型的角度出发,研究了PFC变换器的效率优化和电流失真补偿策略等关键技术。首先,从电路整体设计的角度分别在拓扑选择、器件选型和相应的驱动优化等方面研究了PFC变换器效率优化问题。图腾柱无桥PFC拓扑能实现更高的效率,与其他拓扑相比具备结构简单、易于控制等特点。然而,传统的图腾柱无桥PFC变换器受限于硅基器件的反向恢复特性带来的损耗,难以满足更高的传输功率要求。对宽禁带半导体器件如Si C MOSFET的应用有效降低了开关交叠损耗,并由于Si C材料良好的导热系数,有效提高了PFC变换器的效率和功率等级。同时,由于Si C MOSFET的开关速度较快,考虑开关特性及回路寄生电感的影响,研究了其驱动优化问题,解决Si C MOSFET低阈值电压及高开关速度给PFC变换器带来的可靠性问题。然后,针对传统的平均电流控制下PFC变换器中电流失真的问题,研究了一种基于前馈补偿的优化控制策略。对PFC变换器电流和电压环路进行分析,以针对输入电压、输入电流的闭环传递函数为基础推导了PFC变换器的输入导纳,说明了输入阻抗在传统的平均电流控制下并非呈现纯阻性,其中输入电流与输入电压存在相位差。为了减小该相位差对PF值的影响,在电流环路中引入占空比前馈进行补偿。考虑到采样电路中的干扰和延迟对控制的影响,加入了锁相环技术,减小了采样的噪声并对采样延迟进行补偿。此外,传统电压环路控制策略由于输出电压纹波的影响,更新频率低,对输出电压进行陷波滤波处理,以提升电压环路带宽。通过Simulink/Saber联合仿真验证了基于前馈补偿的平均电流模式优化控制策略的有效性。为验证PFC变换器的效率优化及基于前馈补偿的平均电流模式优化控制策略的有效性,制作样机并进行了实验验证。实验结果表明所提策略实现了较高的功率因数并提升了变换器整体转化效率,达到了98.83%的峰值效率。
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