（電力電子與電力傳動專業(yè)論文）基于flyboost單級功率因數(shù)校正技術(shù)的研究.pdf

黑龍江科技學(xué)院碩士學(xué)位論文 a b s t r a c t a s i n g l es t a g ep f cc o n v e r l e rc o m b i n e st h ep f cs t a g ea n dad c d c c o n v e r t e ri n t oo n ew i t has h a r e ds w i t c ha n dc o n t r o l l e r , r e a l i z e st h ei n p u t c u r r e n ts h a p i n ga n dt h ef a s tr e g u l a t i o no fo u t p u tv o l t a g ea tt h es a m et i m e i t e s p e c i a l l yf i t sl o w - p o w e ro c c a s i o nw e l lb e c a u s eo ft h ea d v a n t a g eo fs i m p l e s t r u c t u r ea n dl o wc o s t h o w e v e r , s i n g l es t a g ep f cc o n v e r t e rg e n e r a l l yh a v e t h ep r o b l e mo fe n e r g ys t o r a g ec a p a c i t yv o l t a g es t r e s sh i g ha n de f f i c i e n c y l o w , s oh o wt os o l v et h e s ep r o b l e mi st h em a i nc o n t e n to ft h i sd i s s e r t a t i o n a tf i r s t ，t h ep r e s e n tr e s e a r c ho fp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nt e c h n o l o g yi s i n t r o d u c e d ，t h e ns i n g l e - s t a g ei s o l a t e dp o w e rf a c t o rc o r r e c t e rj sa n a l y z e d a n dc l a s s i f i e d ，o nt h eb a s i so ft h i s ，t h et o p o l o g yo fs i n g l e - s t a g ep o w e rf a c t o r c o r r e c t i o ni sc o n c l u d e d i no r d e rt os o l v et h e p r o b l e mo fe n e r g ys t o r a g ee l e c t r i cc a p a c i t y v o l t a g es t r e s sh i g h ，t h ew a yt ol o wt h ec a p a c i t yv o l t a g es t r e s si sa n a l y z e d ， o nt h eb a s i so ft h i s ，an e ws i n g l e s t a g ep f ct o p o l o g yi s p r o p o s e d ，t h e o p e r a t i o np r i n c i p l eo ft h ec i r c u i ti sa n a l y z e di nd e t a i la n de m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l ti sp r o v i d e d t h er e s u l ti n d i c a t e dt h a tt h i sc o n v e r t e r c a nr e d u c et h ev o l t a g eo fe n e r g ys t o r a g ec a p a c i t ye f f e c t i v e l y i no r d e rt o i m p r o v et h ee f f i c i e n c yo ft h ec o n v e r t e r ，t h et o p o l o g yo f c o n v e r t e ri sc h a n g e d ，b yu s i n gt h ef l y b a c kt r a n s f o r m e rt os u b s t i t u t eb o o s t i n d u c t a n c e ，e n e r g yt r a n s m i s s i o nd i r e c t l yi sr e a l i z e d ，t h u st h ee f f i c i e n c yi s i m p r o v e da n dt h ec a p a c i t y v o l t a g e i sr e d u c e df u r t h e r e m u l a t i o na n d e x p e r i m e n t a lr e s u l ti sp r o v i d e da n dt h ee f f i c i e n c yo ft w oc o n v e r t e ri s c o m p a r e d ，t h er e s u l th a v ep r o v e dt h a tt h el a t t e rh a sr a i s e d t h ee f f i c i e n c y f u r t h e ro nt h eb a s i so fk e e p i n gt h ef o r m e r sa d v a n t a g e f i n a l l y ，t h ep a p e rc o n c l u d e st h er e s e a r c hf i n d i n g s ，a n dp o i n t so u ts o m e f u t n r er e s e a r c ha r e a s k e yw o r d s ：s i n g l e s t a g e p o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n ：e n e r g y - s t o r a g e c a p a c i t o rv o l t a g e ；e f f i c i e n c yt r a n s m i s s i o nd i r e c t l y 黑龍江科技學(xué)院學(xué)位論文獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究 工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝 的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也 不包含為獲得黑龍江科技學(xué)院或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用 過的材料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論 文中作了明確的說明并表示了謝意。 研究生簽名：扯l 日期：絲季乙叢 黑龍江科技學(xué)院學(xué)位論文使用授權(quán)聲明 黑龍江科技學(xué)院、中國科學(xué)技術(shù)信息研究所、國家圖書館有權(quán) 保留本人所送交學(xué)位論文的復(fù)印件和電子文檔，可以采用影印，縮 印或其他復(fù)制手段保存論文。本人電子文檔的內(nèi)容和紙質(zhì)論文的內(nèi) 容相一致。除在保密期內(nèi)的保密論文外，允許論文被查閱和借鬩， 可以公布( 包括刊登) 論文的全部或部分內(nèi)容。論文的公布( 包括 刊登) 授權(quán)黑龍江科技學(xué)院研究生處辦理。 研究生簽名：之左絲導(dǎo)師簽名：蘭量連k 日期： 黑龍江科技學(xué)院碩士學(xué)位論文 第一章緒論 1 1 課題的選題背景及研究意義 近二十年來，電力電子技術(shù)得到了飛速發(fā)展，已廣泛應(yīng)用到電力、 冶金、化工、煤炭、通信、家電等領(lǐng)域。從2 2 0 v 交流電網(wǎng)經(jīng)整流供給 用電設(shè)備是電力電子裝置中應(yīng)用極為廣泛的一種基本變流方案i 。在含 有a c d c 變換器的電力電子裝置中，d c d c 變換器或d c a c 變換器的 供電電源一般是由2 2 0 v 交流電經(jīng)整流和大電容濾波后得到較為平直的 直流電壓。圖1 - 1 ( a ) 是最常見的二極管和濾波電容組成的整流電路，圖 1 - 1 ( b ) 是輸入電壓和輸入電流波形，由圖可見，在每半個工頻周期內(nèi)， 只有在輸入電壓的峰值時間才有輸入電流 v j i 上 籃 i t 露 ( a ) 常見整流電路( b ) 輸入電壓電流波形 圖1 - 1 常見整流電路及其輸入電壓電流波形 f i g 1 1n o r m a lr e c t i f i e ra n di n p u tv o l t a g ea n dc u r r e n tw a v e 由此可見，大量應(yīng)用整流電路，使得電網(wǎng)供給嚴(yán)重畸變的非正弦電 流。對這種畸變的輸入電流進(jìn)行傅立葉分析，可知它除了含有基波外， 還含有豐富的高次諧波分量，這些高次諧波倒流入電網(wǎng)，引起嚴(yán)重的諧 波污染。一方面產(chǎn)生“二次效應(yīng)”，即電流流過線路阻抗造成諧波電壓 降，反過來使電網(wǎng)電壓也發(fā)生畸變，并且會造成電路故障，損壞變電設(shè) 備；另外，它還會干擾其他用電設(shè)備，引起儀器儀表和保護(hù)裝置的誤測 量、誤動作，等等。隨著電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，諧波污染問題 引起了越來越廣泛的關(guān)注。 為了減小a c d c 變換器輸入端諧波電流造成的噪聲和對電網(wǎng)產(chǎn)生 的諧波污染，以及保證供電質(zhì)量，提高電網(wǎng)的可靠性：同時也為了提高 黑龍江科技學(xué)院碩士學(xué)位論文 輸入端功率因數(shù)，以達(dá)到節(jié)能的效果，必須限制a c d c 輸入端諧波電 流分量。基于限制電流波形畸變和諧波，使電磁環(huán)境更加干凈的宗旨， 一些世界性的學(xué)術(shù)組織或國家己經(jīng)頒布或?qū)嵤┝艘恍┹斎腚娏髦C波限 制標(biāo)準(zhǔn)，如i e c 5 5 5 2 ，i e e e 5 1 9 ，i e c l o o o 3 2 等，其中i e c 5 5 5 2 標(biāo)準(zhǔn) 自1 9 9 4 年起已在歐盟國家全面實(shí)旋。所有在歐盟市場銷售的用電設(shè)備 都必須滿足這一標(biāo)準(zhǔn)p j 。我國從1 9 9 4 年3 月開始執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)g b t 1 4 5 4 9 9 3 電能質(zhì)量，公用電網(wǎng)諧波，其主要目的是控制電網(wǎng)中電壓和電 流波形失真在允許范圍內(nèi)，保護(hù)用電設(shè)備安全運(yùn)行，減少電網(wǎng)污染對通 信系統(tǒng)造成的干擾。因此，使用功率因數(shù)校正技術(shù)( p o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n ，p f c ) 把諧波污染控制在相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求的范圍內(nèi)已成為當(dāng)務(wù) 之急。 目前，帶有功率因數(shù)校正功能的開關(guān)變換器通常分為兩級結(jié)構(gòu)和單 級結(jié)構(gòu)。兩級p f c 技術(shù)具有t h d ( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 低、p f 高、 p f c 級輸出電壓恒定、保持時間高、輸入電壓范圍寬、適合于各種功率 應(yīng)用范圍等眾多優(yōu)點(diǎn)。但帶來的問題是電路復(fù)雜、成本高、體積較大。 這使兩級p f c 方案不適合于低功率應(yīng)用，如2 0 0 3 0 0 w 以下的功率范圍。 因此，將p f c 功能與d c d c 功能融為一體的單級p f c 己成為研究的重 點(diǎn)和熱點(diǎn)。 單級p f c 是將p f c 級和d c d c 級組合在一起共用一個開關(guān)管和一 套控制電路，同時實(shí)現(xiàn)對輸入電流的整形和對輸出電壓的調(diào)節(jié)。它與兩 級友案不同的是，控制電路只調(diào)節(jié)輸出電壓，保證輸出電壓的穩(wěn)定，在 穩(wěn)態(tài)時，占空比恒定，因此，要求p f c 級的電流能自動跟隨輸入電壓。 雖然，單級p f c 變換器的輸入電流不是正弦波，p f 值不如兩級方案高， 但由于i e c l 0 0 0 3 2 諧波標(biāo)準(zhǔn)只對電流諧波含量有要求，對p f 值沒有嚴(yán) 格的要求，單級p f c 變換器的輸入電流諧波足以滿足i e c l 0 0 0 3 2 1 4 j 的 諧波標(biāo)準(zhǔn)。為了使a c d c 電源在滿足諧波不超標(biāo)的同時實(shí)現(xiàn)低成本、 高性能，對單級p f c 變換器的需求越來越緊迫，特別是在中小功率應(yīng)用 場合。因此研究單級p f c 技術(shù)具有很重要的意義。 1 2 功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r p f c 技術(shù)根據(jù)是否采用有源器件可以分為無源p f c ( p a s s i v ep f c ) 技 2 黑龍江科技學(xué)院碩士學(xué)位論文 術(shù)和有源p f c ( a c t i v ep f c ) 技術(shù)。 1 2 1 無源功率因數(shù)校正技術(shù) 最早的p f c 技術(shù)是采用電感和電容構(gòu)成的無源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功率因數(shù) 校正，在二極管整流橋后添加一個濾波電感和濾波電容結(jié)合的無源網(wǎng)絡(luò) 使得輸入電流滿足諧波抑制要求。 該方法電路簡單、成本低、可靠性高、e m i 小。但是存在許多缺點(diǎn)： 尺寸、重量大，難以得到高功率因數(shù)( 一般可提高到o 7 左右) ，輸入電 流的諧波抑制效果也不是很好：由于采用低頻電感和電容進(jìn)行輸入濾 波，工作性能與頻率、負(fù)載變化及輸入電壓變化有關(guān)：電感和電容問有 大的充放電電流等。因此它比較適用于功率小于3 0 0 w 、對體積和重量 要求不高、價格敏感的應(yīng)用場合。 1 2 2 有源功率因數(shù)校正技術(shù) 9 0 年代以來，有源p f c 技術(shù)取得了長足的進(jìn)展。有源p f c 技術(shù)由 于變換器工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，具有體積小、重量輕、效率較高和功率 因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。 從電路結(jié)構(gòu)上劃分，有源p f c 可分為兩級p f c 電路和單級p f c 電 路。 1 、兩級功率因數(shù)校正技術(shù) 兩級方案是由兩個相互獨(dú)立的變換器分別實(shí)現(xiàn)輸入電流整形和輸 出電壓的快速調(diào)節(jié)，原理如圖1 2 所示【6 1 。前級通常采用b o o s t 變換器實(shí) 現(xiàn)輸入電流整形，前級輸出電壓為儲能電容c b 的電壓，變化范圍一 般為3 8 0 4 0 0 v ，如通過d c d c 變換器實(shí)現(xiàn)隔離和變換，得到直流輸 出電壓，d c d c 變換器實(shí)現(xiàn)對輸出電壓的快速調(diào)節(jié)。 兩級p f c 方案具有優(yōu)良的性能，如輸入電流的總諧波失真度( t o t a l h a r m o n i cd i s t o r t i o n ，i h d ) 一般小于5 ，功率因數(shù)可以達(dá)到o 9 9 或更 高；由于近似恒定，d c d c 變換器可以進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)：此外，由于 如相對較高，對于一個給定的保持時間可采用較小的儲能電容。但兩級 p f c 方案因?yàn)橹辽倬哂袃蓚€開關(guān)管和兩套控制電路，增加了成本和復(fù)雜 度，不適合應(yīng)用于中小功率場合。 3 黑龍江科技學(xué)院碩士學(xué)位論文 p f c 級d c d c 控制級 圖1 - 2 兩級功率因數(shù)校正技術(shù) h g 1 2d o u b l e - s t a g ep o w e rf a c t o rc o r r e c tt e c h n o l o g y 2 、單級功率因數(shù)校正技術(shù) 與兩級p f c 結(jié)構(gòu)相比，單級p f c 只采用一套開關(guān)管和控制電路， 同時實(shí)現(xiàn)對輸入電流的整形和對輸出電壓的快速調(diào)節(jié)。原理如圖1 3 所 示1 7 1 。由于p f c 級和d c d c 級共用一個開關(guān)管，所以它們之間不可避 免地存在著聯(lián)系。 圖1 - 3 單級功率因數(shù)校正技術(shù) f i g 1 - 3s i n g l e s t a g ep o w e rf a c t o rc o r r e c tt e c h n o l o g y p f c 變換器在一個周期內(nèi)輸入功率是波動的，而輸出功率是恒定的， 必然需要有一個儲能電容來儲存這部分不平衡的能量。通常，單級功率 4 黑龍江科技學(xué)院碩士學(xué)位論文 因數(shù)校正變換器的p f c 級工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式，從而獲得較高的功率 因數(shù)，同時為了提高變換器的效率，d c d c 級工作在連續(xù)導(dǎo)電模式；當(dāng) 負(fù)載突然減小時輸出功率變小，占空比不能立即隨著負(fù)載的變化而變 化，輸入儲能電容的功率大于從儲能電容中抽走的功率，導(dǎo)致儲能電容 電壓的升高，這就是儲能電容電壓應(yīng)力商的原因。為了保持輸出電壓的 穩(wěn)定，電壓反饋環(huán)節(jié)起作用，使得占空比減小，從而相應(yīng)地減小輸入功 率，這個動態(tài)調(diào)節(jié)過程要到輸入功率和輸出功率重新達(dá)到平衡后才能停 止。當(dāng)變換器處于穩(wěn)定時，占空比基本上是恒定的。 1 3 單級功率因數(shù)校正的研究概況與發(fā)展趨勢 在2 0 世紀(jì)9 0 年代初，美國克羅多拉大學(xué)的e r i c k s o n 教授等將前級 b o o s t 電路和后級變換器的m o s f e t 共用，提出了單級p f c 變換器。 研究單級p f c 技術(shù)的目的是減少元器件數(shù)量，降低成本，提高效率和 簡化控制等。 自1 9 9 2 年起，p e s c ( i e e ep o w e re l e c t r o n i c ss p e c i a l i s t sc o n f e r e n c e ) 設(shè)立了單相p f c 專題，這被看作是單相有源p f c 技術(shù)發(fā)展的里程碑。 到1 9 9 4 1 9 9 5 年，p e s c 上有關(guān)功率因數(shù)報道的主要內(nèi)容是把軟開關(guān)技 術(shù)和通常的p f c 技術(shù)結(jié)合以提高功率因數(shù)校正電路的性能。近年來， 主要是連續(xù)導(dǎo)電模式功率因數(shù)校正的控制方法，同時，也提出了一些新 穎的功率因數(shù)校正原理及拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。國外改善開關(guān)電源功率因數(shù)工作的 重點(diǎn)，主要是功率因數(shù)校正電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的研究和功率因數(shù)校正控制集 成電路的開發(fā)。 我國盡管p f c 技術(shù)研究起步較晚，目前仍取得不少進(jìn)展。1 9 9 4 年 有關(guān)學(xué)會組織了p f c 技術(shù)的專題研討會。小功率帶p f c 的開關(guān)電源也 開始進(jìn)入實(shí)用階段，個別單位開始小批量生產(chǎn)，其p f 值達(dá)到o 9 9 ， t h d 是( 其中五為交流電源頻率五= 2 p ) 因此， 可假定輸入電壓在一個開關(guān)周期內(nèi)保持恒定。 ( 3 ) 電容c 5 、c 6 值相等，且足夠大，其端電壓在半個電源周期內(nèi)保 持恒定，u c 5 = u c 6 = u c s 。 ( 4 ) 原邊繞組匝數(shù)相等，即n i = n 2 = n r 。 黑龍江科技學(xué)院碩士學(xué)位論文 _ = c ， n i j ! 仉三 ： - 昔 丘l 哥 m lj “ lj 1 蠢一 下i “i or 圖3 - 2 變換器主電路拓?fù)?f i g 3 2m a i nc i r c u i tt o p o l o g yo fc o n v e r t e r 在一個開關(guān)周期內(nèi)，電路有4 個工作模式，圖3 3 為變換器在一個 開關(guān)周期內(nèi)不同工作模式的主要波形，包括驅(qū)動信號u a s 、變壓器勵磁 繞組l m 的電流砌、電感l(wèi) b 的電流如、開關(guān)管q 1 的漏源電壓u d s 。 u g s u d s f d t q f ( i d ) t q ， b ， ， ， 彳 t ot lt 2t 3t 4 ， 圈3 - 3 開關(guān)周期內(nèi)的信號波形 f i g 3 - 3s i g n a lw a v e si nc y c l e 黑龍江科技學(xué)院碩士學(xué)位論文 1 、電感充電、電容放電模式【t o t l 】 如圖3 - 4 ( a ) 所示。在f o 時刻，開關(guān)管q l 閉合，d 3 導(dǎo)通，輸入電壓 對電感l(wèi) b 充電，電感電流線性增大。同時d 6 承受反壓被阻斷。電容電 壓u c s 直接加在變壓器原邊繞組上，儲存在電容c s 、c 6 的能量通過變 壓器傳遞到負(fù)載。流過開關(guān)管q 1 的電流：場1 = b + 2 昂+ “，其中昂是變 壓器原邊繞組的電流，其大小為變壓器副邊n 3 電流折合到原邊值的一 半，即 ，爭下(n，nr)ucsuo ( 3 3 ) 1 。瓦瓦_(dá) p “j h 是變壓器的勵磁電流，其上升斜率為 一d m 墮 ( 3 4 ) 出 工v 電感l(wèi) b 電流上升斜率 絲豎 出 k id3 “ i4 ；i 蕾糾 mal 土! d ，三ii n j ol 二仁 ig 一三l 一i 41 7 l b d 3 ( a ) 工作模式1 。h ； 之g 仇蚶 w ，- 牛 ，畦 昭 。li 7 。l l ： r 11z l + 生f _ 二、厶斗【 ( b ) i 作模式2 風(fēng) l o ( 3 5 ) 、 黑龍江科技學(xué)院碩士學(xué)位論文 i m f 美“ l d 7 三j m ! 町 一 i ，一ic ! l ( c ) 工作模式3 d ，k ( d ) 工作模式4 圖3 - 4 開關(guān)周期內(nèi)的工作模式 f i g 3 4o p e r a t i o nm o d e si nc y c l e 2 、電感放電、電容充電模式【t l t 2 】 如圖3 - 4 ( b ) 所示。t 1 時刻，開關(guān)管q l 關(guān)斷，d 3 、d 6 導(dǎo)通，b o o s t 電 感給電容充電。因變壓器原邊繞組對稱，勵磁電流有兩條回路：n l 、c 5 、 d 6 、d 7 和n 2 、d 4 、d 6 、c 6 。流過二極管d 6 的電流：0 6 = 兒日+ ，電容 c 5 、c 6 的充電電流也為如+ 如，勵磁電感l(wèi) m 兩端承受反向電壓，電流 線性下降，下降斜率為 ， 絲一u c s ( 3 6 1 出 “ 。 變壓器副邊繞組n 3 承受反壓，d 5 截至，d 8 導(dǎo)通；電感l(wèi) b 電流線性 下降，其下降斜率為 j 黑龍江科技學(xué)院碩士學(xué)位論文 d u v ： - 2 u c s ( 3 7 ) 出lb ?j 3 、勵磁電流減小模式 【t 2 t 3 】 如圖3 - 4 ( c ) 所示。t 2 時刻，輸入電感電流下降為0 ，二極管d 3 截止。 由于輸出電感l(wèi) 0 工作在c c m 方式，續(xù)流二極管d 8 繼續(xù)導(dǎo)通，勵磁電 流i l m 繼續(xù)線性下降。 4 、變壓器電壓突變模式【t 3 t 4 】 如圖3 - 4 ( d ) 所示。t 3 時刻，勵磁電流l z a 下降為零，二極管d 8 截止， 變壓器繞組電壓突變?yōu)榱悖_關(guān)管q l 端電壓由2 u c s 突變?yōu)閡 c s 。t 4 時 刻開關(guān)管重新導(dǎo)通，電路進(jìn)入下一個工作周期。 由以上分析可知，串聯(lián)充電并聯(lián)放電拓?fù)渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)： ( 1 ) 每個電容承擔(dān)的電壓為直流總線電壓的一半，在現(xiàn)實(shí)中具有較 大的選擇范圍。 ( 2 ) 開關(guān)關(guān)斷時，變壓器原邊兩繞組通過串并聯(lián)的結(jié)構(gòu)自動實(shí)現(xiàn)磁 復(fù)位，不需另加復(fù)位繞組，降低了電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，因此這 種拓?fù)渚哂幸欢ǖ膶?shí)用價值。 3 3 變換器電路設(shè)計(jì) 新型單級功率因數(shù)校正變換器的設(shè)計(jì)要求如下： ( 1 ) 輸入交流電壓2 2 0 v _ + 1 0 ( 2 ) 輸出直流電壓可調(diào)：2 4 v _ + 1 0 ，額定功率2 4 0 w ( 3 ) 儲能電容電壓 2 5 0 v ( 4 ) p f c 級工作于d c m 狀態(tài)，d c d c 級工作于c c m 狀態(tài) 3 3 1 開關(guān)頻率的選取 開關(guān)頻率對變換器的性能有很大的影響。一般來說，開關(guān)頻率高可 以減小磁性元件的尺寸，加快變換器的動態(tài)響應(yīng)。但開關(guān)頻率不可能選 的太高，因?yàn)殚_關(guān)管的開通和關(guān)斷損耗、驅(qū)動損耗，以及輸出整流管的 開關(guān)損耗都是同開關(guān)頻率成正比的。此外，由于變壓器磁芯損耗隨頻率 的增加而上升，因此變壓器不能無限地隨開關(guān)頻率的增加而減小。還要 注意的是，頻率的提高，使得電路的寄生參數(shù)對變換器性能的影響越來 黑龍江科技學(xué)院碩士學(xué)位論文 越大。綜合考慮，選取開關(guān)頻率為5 0 k h z 。 3 3 2e m i 濾波器的設(shè)計(jì) e m i 濾波器能有效抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子儀器、計(jì)算機(jī)以及測控 系統(tǒng)的抗干擾能力和可靠性。單級p f c 變換器的p f c 級工作在不連續(xù) 導(dǎo)電模式下，其輸入電流波形為脈動三角波，因此其前端必須添加e m i 濾波器以濾除高頻紋波。 f 圖3 5e m i 濾波罌的基本電路 f i g 3 5b a s i cc i r c u i to fe m i f i l t e r e m i 濾波器電路如圖3 5 所示1 2 2 】。該器件有兩個輸入端、兩個輸出 端和一個接地端。電路包括共模電感l(wèi) 和濾波電容c 。c 。l 對串模干 擾不起作用，但當(dāng)出現(xiàn)共模干擾時，由于兩個線圈的磁通方向相同，經(jīng) 過耦合后總電感量迅速增大，因此對共模信號呈現(xiàn)很大的感抗，使之不 易通過。l 的電感量一般取幾十微亨至幾毫亨，表3 - 1 列出l 與額定電 流i 的關(guān)系。由表可知，額定電流為3 a 時，選用共模電感量為2 5 m h 。 c l 、c 2 跨接在輸入端，經(jīng)過電容分壓后接地，能有效地濾除共模干擾。 c 1 、c 2 宜選用陶瓷電容，容量范圍是2 2 0 0p f 4 7 0 0 p f 。為減小漏電流， 電容量不要超過4 7 0 0p f ，一般取2 2 0 0p f 或3 3 0 0p f 。c 3 、c 4 采用薄膜 電容器，容量范圍為0 0 1 z f 0 4 7 u f ，主要用來濾除串模干擾。其中f 為保險絲，當(dāng)變換器出現(xiàn)短路或其它故障導(dǎo)致輸入電流過大時，保險絲 燒斷，能有效地保護(hù)變換器；r f 為壓敏電阻，因?yàn)閴好綦娮杈哂懈叻蔷€ 性、快響應(yīng)性、高能量承受能力以及低限制電壓等特性，印使是電源電 壓瞬間驟升，它也會承載、吸收這些突然其來的高壓沖擊，保持輸入端 電壓恒定，從而防止了瞬間的高脈沖干擾輸入而損壞內(nèi)部元件。 黑龍江科技學(xué)院碩士學(xué)位論文 表3 1 電感量l 與額定電流l 的對應(yīng)關(guān)系 t a b 3 1c o r r e s p o n d i n gr e l a t i o n s h i pb e t w e e ni n d u c t a n c ela n dr a t e dc u r r e n ti 3 3 3 正激變壓器的設(shè)計(jì) 正激變壓器的磁復(fù)位非常重要，必須確保勵磁磁通在每個開關(guān)周期 開始時處于初始值才不至于磁通飽和。正激變壓器的復(fù)位方式很多，有 加復(fù)位繞組復(fù)位、r c d 復(fù)位、l c d 無源無損復(fù)位、有源鉗位復(fù)位等。 通常使用復(fù)位繞組復(fù)位的方法，在復(fù)位中對開關(guān)管的耐壓要求較高。由 前面的電路工作原理分析可知，串聯(lián)充電并聯(lián)放電方案能通過變壓器原 邊繞組將剩余能量還給電容，電流流向?yàn)閚 l c 5 d 6 - d 7 n 1 和n 2 d 4 - d 6 c 6 n 2 ，因此不需外加復(fù)位電路。 正激變壓器要完成磁復(fù)位，要求開關(guān)的最大占空比小于0 5 ，取最 大占空比為d 。，= o 3 。 ( 1 ) 變壓器磁芯的選擇 假設(shè)2 4 0 w 功率由正激變壓器傳遞到輸出端，給電路留出足夠的裕 量 一。 墨蘭! 旦! r 2 桶 | 。k c 一j 罌塑6 _ 。1 7 8 3 ( 3 8 ) _ 1 2 x 0 9 x 5 0 x 1 0 。x 1 5 0 0 2 o 5 x 1 。 這里我們選取的磁芯是e e 4 2 鐵氧體磁芯，它的尺寸規(guī)格是：寬4 2 x 高 4 2 x 1 5 3 ( r a m 2 ) 。因此可以計(jì)算出它的如下參數(shù)： 中心柱有效截面積：a 。- - 1 7 8 c m 2 ； 窗口面積：a q = 2 9 4 5 c m 2 ； 功率容量乘積：兒刊。x a q = 5 1 7 。 由于功率容量大于輸出功率估計(jì)值，可以選用此種鐵芯。 ( 2 ) 變壓器交比的確定 輸出電感工作于c c m 狀態(tài)，由伏秒平衡原則得 黑龍江科技學(xué)院碩士學(xué)位論文 u a【，o + 【， n d 。 其中，n 為變壓器原副邊的變比，n = n i n 3 = n 2 n 3 ， 電壓，取為i v 。由此可計(jì)算出原副邊的變比 露，u c s d 一2 5 0 。0 3 3 + u f 2 4 + 1 ( 3 ) 變壓器原副邊的匝數(shù) 由法拉第定律可得變壓器副邊繞組匝數(shù) ( 3 9 ) u ，為整流二極管上的 n r n n s 3 x 1 8 7 5 6 1 最后取n s = 2 0 ，n p = 6 0 ( 4 ) 變壓囂原邊繞組電流 f 。些l 一壘盟7 1 1 a “ u 。x d x r 2 5 0 x 0 3 x 0 9 ( 5 ) 變壓器副邊繞組電流 i 矗i 阼x t l 一1 1 1 x 3 2 1 3 3 a f 3 1 0 ) f 3 1 1 ) 仃1 2 ) ( 3 1 3 ) ( 3 1 4 ) ( 6 ) 計(jì)算電流密度 ，- k 4 ) 一3 6 6 x ( 2 7 4 x 1 8 2 ) 4 “- 3 0 1 8 a c m 2( 3 1 5 ) ( 7 ) 原副邊繞組裸線面積 如生堅(jiān)噤以。，硝鋤： ( 3 1 。) 。了一。麗西一刈川7 鋤 o j 如。煎j 。1 2 1 3 3 x 乎一o 蚴s 啪： n ( 8 ) 原副邊繞組的線徑 珥一孕：0 0 0 _ 5 x 4 一訛c m ( 3 z s ) 黑龍江科技學(xué)院碩士學(xué)位論文 鳳1 壘型。10 0 2 2 3 5 。4 0 1 6 8 6 9 c m ( 3 1 9 ) y 3 1 ： 丑 取d p = 0 1 c m ，d s = o 1 7 c m9 原邊繞組選用線徑為1 0 r a m 的漆包線繞制；為了減小肌膚效應(yīng)，副 邊繞組用線徑為1 0 r a m 的漆包線2 股并繞。 ( 9 ) 變壓器分布參數(shù)分析 變壓器的分布參數(shù)主要包括：漏感：分布電容。其中重點(diǎn)要考 慮的是漏感。開關(guān)變壓器傳遞的是高頻脈沖方波，在工作過程中，漏感 對電路工作帶來的影響主要是負(fù)面的，開關(guān)器件關(guān)