【电力期刊】新型半导体隔离式高功率因数开关电源.pdf

第2 7卷第2期 2 007年 2月 电 力 自 动 化 议 备E l e c tric P owerA u t o m at 访 nE q u i p m e n tV ol.2 7N o.2 F e h.2(刃7函新型半导体隔离式高功率因数开关电源 陶 岑，刘开培，王禹民(武汉大学 电气工程学院，湖北 武汉 4 3 007 2)摘要:提出 种以 半导体开 关 作为隔离 元件、电 容器作为 功率 传输元件的高 功率因 数开关电 源新型拓扑结构，通过控制半导体开关，使电 容器交替充放电对负 载供电，从而实 现物理意义上的隔离。通过时电容器充电回 路开关管进行控制，实现交流输入端的高功率因数。与传统的乘法器b 以，s tP F C控制电 路不同，该装置采用 单周期控制，不需要同时检测输出电压和输入电流及电压，无需乘法器。试验研究 表明装置稳定可靠，有效地实 现了负 载与供电网 侧的电气隔离。关 键词:半导体隔离;单周 控制;功率因 数校正中图分类号:T M48 文献标识码:A文章编号:1 006 一 6 047(2 007)02一 0093一 04 目 前，开关电源设备普遍采用二极管整流、电容滤波环节，会使其输人电流严重畸变，对电网产生严重的谐波污染且功率因数较低:。而开关电源设备常规的隔离电路采用高频变压器隔离l 一 2 ，电源边与负载通过磁路藕合仍然保持联系，电网冲击和负荷波动可通过磁路进行传递而相互影响;当变压器由高频电流激励时，变压器损耗增加。这种随工作频率增加而增加的损耗不仅降低了开关电源设备功率转换的效率，而且还需要对损耗产生的热辐射采取相应的措施3 一 5 。另外，为了消除来自 高频变压器产生的噪声干扰，需要提供磁屏蔽，通常是根据技术经验进行的，要获得较高的 对 磁场的 屏蔽效果是困 难的6j。进行充电、，从而实现了物理意义上的 完全隔离。由于电容器充放电频率高(2 0 5 0 k H z)，所以电容器容量不大，通常为微法级，从而可有效地减小电源体积7。通过对电容器充放电回 路开关管进行控制，可以实现输入端的高功率因数。1 电路结构和基本工作原理 提出一种新型的以半导体开关隔离、电容器作为功率 传输的 高功率因 数开关电 源 拓扑结构，如图1所示。通过2 个半导体开关控制电容器交替充放电对负载供电，当电容器 C:对负载放电时，它与电网是断开的，此时电容器Q与负载断开，与电网相连收 稿 日 期:2 00 6 一 怀:00;修 回 日 期二 2 以 拓 一 1 0 一 27 图 1半导体隔离开关电源原理结构 Fi g.1 5 仕 11 ct u reofs e m i c o n d u c to r i so l atedswi tc h i n gp owe r s u p p ly 在图1 中，交流电 经过整流滤波后，在=0 时刻由占 空比控制电路使开关管V。导通，殊 关断，对电容器C l 进行充电;同时v T3 关断，振 开通，由电容器几对负载供电;当Q电压由认 1 降到呱 时，v。导通，v T 4 关断，对电容器几进行充电;同时v n 关断，V T:开通，由电容器C，对负载供电，从而完成D C 一 D C D e v e I o P m e n t o fr e I a yP r o t e c t i v ea c t i o ns i m u l a t i o ns o ft w a r eU UY u n L，C H E NJ i n 一 fu，Y A N GX i o n g 一 p i n g，H U A N GY i n g Z，S UX i ao一 h u aZ(1.H u az h o n gU n i v e rs i t yo f S c i e n c ea n dTec h n o l o 群，W u h a n4 3 0 0 7 4，C h i n a;2.N o rt h westC h i n aG r i dC o m P a J 1 yL i m i t e d，X i a n7 1 0 0 4 8，C h i n a)A b s t r a c t:C o m b i n e d w i t h t h eactuala n d脚p h i cact i o ns i m u l a t i o ns y s t e mofre l 叮卜 ro t e c t i o no p e rati n gfe a t u re sOf e l e c t ri cp o w e rs y s t e m，ad e v e l o p e d，w h i c h即p l i e s fi x e dv al u ee s t i m a t i o nme t h o d a n dMe asu reme n tso bj e c t 一 o ri e n t e dte c h nl q ll e.at e achfa u l tP ro t e c t i o nThes y s te m s i m u late sp ro t e c t i v ea c t i o n so na c tu al fa u l t s.P o i n tared e ri v e dw i t hfa l l 1 tc al c u l at i o nm o d ul e，whi c harec o m P aredw i thse t t i n gv al u evv a l u e sofs e t t l n gy 日e ri fi c ati o ns y s t e mP ro t e c t i o n s fo r 叮 s t e m 一 wid ev e ri fi c at i o 几A ne q u i p m e n t 一 o ri e n t e di sp u t fo 排a r dfo rd i s t anc ep rote c t i o n，w h i c he n s u re sth ec o rrec t n e s sande ffe K ey wor一 o ri e n t e de 月 论 c t i v e n e s sofP ro t e c t i v ea c t i o ns i m u l a t i on.Thes y s t e mv du e1 8v e rs at i l e，fl e x i b l eandp ract i c a b l e.wo r d s:act i o ns i m u l a t i o nofre l 盯P ro t e c ti o n;fi x ede s t l ma t i o n;盯 a l h i c ali n t e d 五 c e;e q u i p m e nt由电 力 自 动 化 议 备第 2 7卷变换的 一个周期，开关管状态分布如 表1 所示。表 1开关管状态分布 Ta b.IS l a t e sof s、v i t c h e s开关状态V T。V 二叭3V。11001皿0110用能 量传输的 观点，详c 二电容器储能为合 C U Z 在每个周 期内 开关在K(t)=1 时导通，导通时间为，在K(t)=0 时截止，截止时间为t。“，+t。ff=爪。开关的 输人信号x(t)被开关斩波，传输到输出端而形成开关变量Y(t)。显然，开关变量Y(t)的频率和脉宽与开关函 数K(t)相同，而开关变量Y(t)的大小与同时刻输人信号X(t)相同。开关占 空比D二 标/Ts，由一个模拟控制参考量嵘(t)进行调节。假如在每个周期内占空比正好使得开关变量的积分等于或者正比于控制参考量 偏(:)，即 图1 中当v T4 关断、v 二 开通时，电 容器放电电 压从Ua 降 到比。，输出电 能为w l 二 c l(vc;一 vcto)/2，设电路开关频率为f，则其输出功率为p 二 C l f x(vcl一 vc:0)/2，因 此之 枯(t)=k辐 X(t)d t0 其中，k 为一个比例常数。由于开关频率恒定，因而开关变量平均值等于或正比 于控制参量，即C;二 2 尸f(峪 一 从弘)(1)Y(:)=会!名.。X(t)d t 二 K U 二 f(t)(2)若不考虑输人电源内阻和开关管导通时的电阻，在输出功率和输人电压一定时，电容C，和开关频率成反比，即随着电源开关频率的增加，电容CI的 容 量可 减 小，从而 有 效地 减 小电 源 体 积18 一 9。2 单周期P F C控制原理 开关变换器为脉冲非线性动态系统。在传统的反馈控制中，当电 源电 压受到扰动时，例如输人电 压有较高的升高，由于误差信号的获得有一定的延时，对占 空比 控制并不能立即反映这种变化，因此，输出电压会出现短暂的越限，暂态的持续时间由闭环增益决定，重新达到稳态需要经过多个开关周期。与传统的乘法器b oo st P F C(功率因数校正)控制电 路不同l0，本装置采用单周期控制方法川。它是一种不需要乘法器的控制方法，该技术突出的特点是无论稳态、暂态，都能保持受控量的平均值在一个周期内动态跟随控制参考量变化，具有动态响应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现等优点。设开 关5 的 工 作 频率 恒 定，关 二 1/Ts。其动 作可由一个开关函数K(t)描述:式中 K=k/Ts为常数。基于这种理念的开关控制技术称为“单周期控制 技 术”12 一 14。单周控制系统如图2 所示，积分值与控制参考量v ro f(t)进行实时比 较，当Ui o t 达到U re f(t)时，比 较器的输出发生翻转，控制器发出 信号使开关5 关断，同时使积分器复位至零，为下一周期的控制做好准备。通过单周期控制，使开关输出 信号平均值保持恒定:Y(t)=K U r ef(t)。由于输人信号与控制参考量为互相独立的 变量，因而单周期控制开关具有普遍的 稳 定 性 151。3 主电路分析 单周期控制半导体开关电容器隔离开关电源主电 路如图2 所示，5;为模拟开关，参考量U r e f 取自 输人交流电压，甄、V 二、V 二、V T4的开关状态如表 1 所示，通过控制V 二 使输入电流1;跟随输人电压，实现功率因数校正。触发器开 始 预置Q 为1，Q 为0，使v。开通，电 流1 1 通过积分器A:积分，积分值味 由 式(2)可得:K(t)=0 t 标坛感 t 孔、=、;x(:)d:，k=l凡几Y(t)=K(t)X(t)其中，凡为电流采样电阻值，当几达到控制 厂诵二井Ac 空 止 习 蠢 口 一忿 肠询乙 Z es卜平!_滑卜州 而 霸滤 卜习二二波驱动电路株一 1 鑫V 丫 Jl l l吮 山 月一 告一O工ROLS控制驱动电路控制信号C L O C K 图2单周期控制半导体电容器隔离开关电源主电路Fi g.2I s o l a t e dswi t c h i n gp owe r s u p p l yw i th o n e 一 c y c l e 一 c o n t ro l第 2 期陶 赛，等:新型半导体隔离式高功率因数开关电源函 图3 为实验结果，从波形可以看出:输人电流波形从原来的脉冲方波，见图3(a)跟随输入交流电压波形，基本校正为正弦波，如图3(b)所示。传统的带乘法器的b oos tPF C需要2个周期以上才能使输入电流跟随输人交流电 压如图3(d)所示，而单周期控制在 1 个周期内就使输人电流跟随输人交流电压波形，见图3(f)。理论上，单周期控制变换器能抑制输人电压干扰，然而，实际应用中的开关管、晶体管和二极管等都不是理想器件，而且积分器动态响应速度l0oo丹、飞 A、1浑200310300290A、.昌0.25)赢、一0.05而二/一0.06-ha0050.1 00.1 50.20 t/5(a)电容器C，、二充放电波形0.08丁一0.04参考量儿 时，比较器A l 输出 信号变为低电平，R S触发器 输出 信号翻转，Q 为0，心 为1，使几关断，积分器A:复位至零，为下一周期做准备。由图2 可知:V。闭合时 叽，=u、，0 t D T.(3)V 二 关断时 uLI=ul一 晚，D兀 t T.4(4)由于稳态时电感两端电压在 1 个开关周期内平均值为零，因此可得:砚1(o n)D 兀+碗 1(o ff)(1 一 D)兀 二 0(5)将式(3)(4)代人式(5)得:u，=(1 一 D)晚(6)单周期控制的控制目标是电网侧电流波形跟踪电压波形。把整个系统等效为线性负载(等效电阻为R。)，即u l=R。1 1，式中u l 为输人电压;1;为进线电流(图2 所示)。其开关周期为T.，占 空比为D。当0 t D 兀时，v。导通;当D Tst飞。3 00C)几，(U蕊一 u 蕊)之 几 困、几如 分别为输出直流电 源纹波的极大、极小值。实验电源功率为l oow，输出电 压为30V，纹波2%，可得:c)1 3 0 卜 F。电 感L l 的选择:00.0 1 0.020.0 3 0.040.05 t/5 (e)传 统带 乘 法器的b 叨 s t P Fc波 形 3 一，阅。L，、/、/CO r、/了/一3 卜 一-.一-一-一 3 00卜_、目 0一3 00:1 二 冬，Ts 石m ax(v 二.)r n a x(Po)选择Inax(Po)二 Z oow，孔 二 2 0 娜，m ax(认 r.)=2 56v，刀 二 9 0%，可得:乙 1)3.1 6 m H。00.0 10.0 20.0 30.以 忿/5 (f)单周控制P Fc 波形 图3实验波形 Fi g.3E xPerim e nt re s u l te舀电 力自动 化 孩 备第 2 7 卷慢，因 此，单周 期 控 制的 精确 性还 存在一 定的 偏差。5 结语 基于单周期控制技术提出了一种通用双电容器隔离型开关电源变换器拓扑结构，并通过仿真试验验证了此方法的可行性，实现了单位功率因数和低电流畸变，同时，使电网侧与负载端实现了物理意义上的隔离。该控制器开关频率恒定、不需要乘法器、不需要同时检测输出电 压和输人电流及电压，控制方案简单，整个控制电路的复杂程度降低，与高频变压器式开关电源相比 更易实现集成化、小型化，具有广阔的应用前景。但也还存在很多不足之处，例如如何减小开关损耗及输出电压纹波，提高电源效率的问题。参考文献:川 姜 桂宾，裴云 庆，刘 海 涛，等.二 种 新型 隔 离 变 压器的B ot 变 换 器【J.电力电子技术，2(X)2，3 6(4):24一 27.J I A N G Gui 一 b i n，此IYun 一 q i n g，llU H ai一 咖，et al.A nov el b oos t c o n v e rt e rw i th i n s u l at i n gtran s fo m 1er J .P o w e rE l e c-t 功 n i c s，2(X)2，3 6(4):24一 2 7.【2 李建国，刘文华，宋强，等.基于变压器隔离链式逆变器的D 一 S T A T C O M及其控制f J 清华大学学报:自 然科学版，2 005，45 (7):8 7 7 一 8 8 0.U J i a n 一 别。，L I UW e n 一 h u a，S O N GQ i a n g，etal D一 STA T C O M b ase don at rans fo 二er i so l at e dc h al n一 c i rc u iti n v e rt er J .J Tsi n ghu aU n i v:Sci&Tec h，2 加5，4 5(7):8 7 7 一 8 8 03 张盛旺，林风.电 力系 统微 机 保护装置的 抗于扰措施【J.电力自 动化设备，2(X)5，2 5(2):9 3 一 9 6 _ Z H A N GS h e n g 一 w a n g，llNFen gA n t i 一 i n t e rfere n c em e 邵 u re si n m i c ro p m c e，so r 一 b as e d P ro te o t i v ee q u i p men t ofPOw e r 叮 s t e m J .E l e c t ri cP 0 w erA u to mat i o nE q u i p m e n t，2(X)5，2 5(2):9 3 一 9 6.【4 张方华，严仰光 带隔离变压器的D C/D C变换器零电流转换方 案 J.中国电机工程学报，2 003，2 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A I Z h e 一 re n，S M E D L E YKM.An ew P WMo on-trol l e r witho n e 一 叮 c l e re s p o n s e J .I E E ET r a n s ac t i o n s 朋 P O w er E l e c t ron i c s 石 1 9 9 9，1 4(1):1 4 2 一 1 5 0.1 4 Q I A OC h o n g 一 m i n g，S M E D L E YKM.Thre e 一 P h ase u n i t y 一 p ower 一几c t of s t ar 一c o n n e c t e d swi t c h rec t i fi e rwi t h u n i fi e d c o n s t ant 一 fre叫e n 叮 i n t e gr a l i o nc o n t ro l J I E E ET ra n s ac t i o n son P 0 w e r E l e c t ron i c s，2(Xj3，1 8(4):9 5 2 一 9 5 7 1 5 A L A R C O N E，P O V E D A A，V I D A LE.A n al o gc u rren t 一 m ode i m p l e meni atio nof ao n e 一 c y c l ei n t e 脚t e dc o n tro l l e rfor swit-c h i n g 卯 w e r c o nv e rt e。c /仆e Z ool l E E El n te m a t i o n als y m-卯s i u mo nC i rc u i t sandsys t e ms 5 州n e y，N S W，A u st rali a:5.n.，2 刃1:4 9 6 一 4 9 9.(资任编辑:汪 仪珍)作者简介:陶 赛(19 73一)，男，河 北 新乐 人，博士研究 生，主 要研究方向为开关电源P F C技术、电力有源滤波器、D C/D C变换技术(E m au:t a 叫ia n l l Z s y ah o o.c o m.c n)。S e mi c o n d u c t o r i s o l a t e d s w i t c h i n g P o w e r s u P P l y w i t hh i g hP o w e rfa c to r TAOQ i a n，L I UK a i 一 p e i，W A N GY u 一 m i n (Wu h a nU n i v e rs i t y，Wu h an 4 3 007 2，C h i n a)A b st r a c t:An ov e l t o p o l o 盯 o f t h es w i t c h i n gp owe r s u p p l yw i t hh i g hp o w e r fact o r i s p re s e n t e d，w h i c hu s e ss e m i c o n d u c t o rswi t c h e sas i s o l a t i n ge l e m e n t sa n dc a p a c i t o r sa st r a n s m i s s i o ne l e m e n t s.B yc o n t ro l l i n gt h es e m i c o n d u c t o r s w i t c h e s，two c a p a c i t o rsa r ec h a rsedfrOms y s t e ma n dd i s c h ar g e dt ol o a d sal t e rn a t i v e l y，i s o l a t i n gt h el o a d s fromp o w e r s y s t e mp h y s i c al l y.H i gh P o w e r fa c t o r a t A Ci n p u t c a nb ea c h i e v e db yc ont ro l l i n gt h es w i t c hOf c a p a c i t o rC l r C lll t.B e i n gb o o s t p o w e r fa c t o r c o n t ro l c i rc u i t，i t a d o p t st a n e o u s m e a s u rem e n t s o fo u t P u tv o l ta g e尧 l i ac y c l e-i n P u tc o n t rols c h e mec u r r e n t a n d d i fferen tfro m t h e t rad i t i o n ala n d n e e ds n e i t h e rthes i mu l-v o l t age，n o r t h e m u l t i p l i c a t o r，S i m u l a t i o n sa n de x peri m e n t s v e ri fyi t sl i a ba n de ffec t i v e n e s s.K e yw o r ds:s e m i c o n d u c t o r i s o l a t i o n;o n e 一 c y c l e 一 c o n t ro l;p o w e r fa c t o r c o rrec t i o n