本發(fā)明屬于電能變換裝置中的交流-直流變換領(lǐng)域，特別是一種提高Boost三電平變換器PF的裝置及方法。

背景技術(shù)：

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，對電能變換裝置中輸入電流諧波和輸入功率因數(shù)(Power Factor,PF)要求越來越高，功率因數(shù)校正(Power Factor Correction，PFC)變換器得到了廣泛應(yīng)用。PFC技術(shù)主要分為無源PFC技術(shù)和有源PFC技術(shù)，其中有源PFC技術(shù)采用工作在高頻的電力電子變換電路，具有體積小、重量輕、輸入功率因數(shù)高和效率高等優(yōu)點。Boost電路因其輸入電流連續(xù)，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，效率高等特點，是有源PFC技術(shù)中研究和應(yīng)用最廣泛的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。但因Boost電路的升壓特性，在高輸入電壓的情況下，對應(yīng)的高輸出電壓會使電路中的儲能電容電壓過高，進(jìn)而使功率開關(guān)管承受很高的電壓應(yīng)力。這樣，一方面增加了器件的開關(guān)損耗和通態(tài)損耗，另一方面，功率開關(guān)管電壓應(yīng)力過高給器件選型帶來了困難。Boost三電平變換器可以將開關(guān)管的電壓應(yīng)力減小為兩電平Boost的50％，同時降低了輸出電壓的諧波含量，在高壓、大功率的場合中應(yīng)用更為廣泛。

PFC變換器的控制方法可分為模擬控制和數(shù)字控制。經(jīng)過多年的研究與發(fā)展，模擬控制技術(shù)已經(jīng)非常成熟，由于控制方法的簡單性和低實現(xiàn)成本，在電源領(lǐng)域包括功率因數(shù)校正電路中，占了主導(dǎo)性市場份額。但模擬控制的局限性越來越不能夠滿足當(dāng)今更高的能源標(biāo)準(zhǔn)要求，目前PFC變換器的控制方法存在以下問題：功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力高，。電感的體積大且變換器的損耗嚴(yán)重，導(dǎo)致變換器的效率即功率因數(shù)降低。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種提高Boost三電平變換器PF的裝置和方法，能夠降低功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力，減小電感的體積，減小變換器的損耗，提高變換器的效率，采用數(shù)字處理控制器進(jìn)行數(shù)字控制運(yùn)算，使變換器的占空比在半個工頻周期內(nèi)按照正弦規(guī)律變化，將PF提高至1。

實現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種提高Boost三電平變換器PF的裝置，包括主功率電路、數(shù)字處理控制器、信號調(diào)理電路、驅(qū)動電路、輔助供電電路和采樣調(diào)理電路；

所述主功率電路包括：輸入電壓源v_in，EMI濾波器，二極管整流電路RB，Boost電感L_b，功率開關(guān)管Q1和Q2，二極管D1和D2，儲能電容C1和C2，負(fù)載R_L；輸入電壓源v_in與EMI濾波器的輸入端口連接，EMI濾波器的輸出端口與二極管整流電路RB的輸入端口連接，二極管整流電路RB的負(fù)輸出端為參考零電位點，二極管整流電路RB的正輸出端與Boost電感L_b的一端連接，Boost電感L_b的另一端分別與第一功率開關(guān)管Q1的漏極和第一二極管D1的陽極連接，第一二極管D1的陰極分別與第一儲能電容C1的陽極和負(fù)載R_L的一端連接，第一儲能電容C1的陰極分別與第一功率開關(guān)管Q1的源極、第二功率開關(guān)管Q2的漏極和第二儲能電容C2的陽極連接，第二儲能電容C2的陰極分別與第二二極管D2的陽極和負(fù)載R_L的另一端連接，第二二極管D2的陰極分別與第二開關(guān)管Q2的源極和二極管整流電路RB的負(fù)輸出端連接，主功率電路中二極管整流電路RB兩端的電壓為整流電壓V_g、負(fù)載R_L兩端的電壓為輸出電壓V_o；

所述數(shù)字處理控制器包括：ADC模塊、控制算法和PWM模塊，整流電壓V_g和輸出電壓V_o經(jīng)過采樣調(diào)理電路后接入數(shù)字處理控制器的ADC模塊，ADC模塊的輸出送至數(shù)字處理控制器的控制算法，控制算法的結(jié)果通過PWM模塊輸出至信號調(diào)理電路；

所述信號調(diào)理電路將數(shù)字處理控制器輸入的PWM信號進(jìn)行調(diào)理放大，信號調(diào)理電路的輸出端與驅(qū)動電路的輸入端連接；

所述驅(qū)動電路輸出的控制信號分別與主功率電路的第一開關(guān)管Q1和第二開關(guān)管Q2的柵極相連接；

輔助供電電路的輸出分別接入數(shù)字處理控制器、信號調(diào)理電路、驅(qū)動電路和采樣調(diào)理電路，輔助供電電路的作用是給上述各電路中芯片工作提供電能；

所述采樣調(diào)理電路的兩個輸入端分別與主功率電路中二極管整流電路RB的正輸出端和與第一儲能電容C1陽極相連的負(fù)載R_L的一端相連接，采樣的整流電壓V_g和輸出電壓V_o經(jīng)過調(diào)理后與數(shù)字處理控制器的ADC模塊輸入端相連。

一種提高Boost三電平變換器PF的方法，包括以下步驟：

步驟1，采樣調(diào)理電路采集主功率電路的整流電壓V_g和輸出電壓V_o，經(jīng)過電壓調(diào)理后得到滿足要求的輸入電壓范圍后，送入數(shù)字處理控制器的ADC模塊；

步驟2，數(shù)字處理控制器的ADC模塊將電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，送至數(shù)字處理控制器的提高功率因數(shù)的控制算法中；

步驟3，在數(shù)字處理控制器的提高功率因數(shù)的控制算法模塊中進(jìn)行變換器的占空比控制運(yùn)算，使變換器的占空比在半個工頻周期內(nèi)按照正弦規(guī)律變化；

步驟4，經(jīng)控制運(yùn)算得到的占空比控制信號經(jīng)字處理控制器的PWM模塊輸出，PWM信號通過信號調(diào)理電路和驅(qū)動電路后，驅(qū)動主功率電路中的兩個功率開關(guān)管。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點為：(1)能夠降低功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力；(2)開關(guān)頻率為電流紋波頻率的1/2，可進(jìn)一步減小電感的體積；(3)電壓應(yīng)力和頻率的降低使變換器的損耗降低，提高了變換器的效率；(4)數(shù)字處理控制器可以更快速的實現(xiàn)高密度計算控制算法，將功率因數(shù)提高至1。

附圖說明

圖1是Boost三電平PFC變換器的主電路圖。

圖2是DCM模式下Boost電感在一個開關(guān)周期內(nèi)的電流波形圖。

圖3是定占空比控制下的PF值曲線圖。

圖4是變占空比表達(dá)式的波形圖。

圖5是DCM模式下Boost三電平PFC變換器及其控制電路示意圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖及具體實施例對本發(fā)明作出進(jìn)一步詳細(xì)說明。

本發(fā)明設(shè)計了一種提高Boost三電平變換器PF的裝置及方法。

1.DCM模式下Boost三電平PFC變換器的理論推導(dǎo)：

為方便分析，先作如下：1.所有器件均為理想元件；2.輸出電壓紋波與其直流量相比很?。?.開關(guān)頻率遠(yuǎn)高于輸入電壓頻率。

圖1為Boost三電平PFC變換器的主電路圖，在一個開關(guān)周期內(nèi)，Boost三電平PFC變換器的兩個開關(guān)管交替導(dǎo)通，圖2給出了變換器工作在電感電流斷續(xù)(DCM)模式時，一個開關(guān)周期中電感的電壓和電流波形。由圖可以看出，開關(guān)頻率為電流紋波頻率的1/2，電感電流可以在半個開關(guān)周期內(nèi)進(jìn)行分析，這種用低頻來控制高頻的特性不但可以使電感的體積進(jìn)一步的減小，而且開關(guān)的損耗也得到了減小。當(dāng)兩個功率開關(guān)管Q1和Q2同時導(dǎo)通時，電感L_b兩端的電壓為v_g，電感電流i_Lb從零開始以v_g/L_b的斜率線性上升，能量儲存于電感中，儲能電容C1和C2共同為負(fù)載R_L提供能量；當(dāng)開關(guān)管Q1導(dǎo)通Q2關(guān)斷時，二極管D1承受反向電壓關(guān)斷，二極管D2導(dǎo)通，電感L_b兩端的電壓為v_g-V_C1，電感電流線性下降要求v_g<V_C1，當(dāng)兩個儲能電容容值相等即V_C1＝V_C2＝V_o/2，電感L_b兩端的電壓為v_g-V_o/2，電感電流i_Lb以(v_g-V_o/2)/L_b的斜率線性下降，此時儲能電容C2充電，C1放電。在半個開關(guān)周期結(jié)束前，電感電流i_Lb降為0，儲能電容C1和C2共同為負(fù)載R_L提供能量。后半個開關(guān)周期的分析與上述分析類似。

定義輸入交流電壓v_in(t)為：

v_in(t)＝V_msin(ωt) (1)

其中V_m是輸入交流電壓的幅值，ω是輸入交流電壓的角頻率。

那么，輸入電壓v_in(t)經(jīng)二極管整流電路RB整流后得到的整流電壓v_g為：

v_g＝V_m|sin(ωt)| (2)

在一個開關(guān)周期內(nèi)，電感電流的峰值為：

其中兩個開關(guān)管Q1、Q2的占空比相同均為D，T_s為開關(guān)周期。

在每個開關(guān)周期內(nèi)，電感L_b兩端的伏秒面積相等，即：

其中儲能電容電壓為D_r為電感電流降為零所對應(yīng)的占空比。

由式(2)和式(4)得到：

由式(3)和式(5)可得，一個開關(guān)周期內(nèi)電感電流i_Lb的平均值i_{Lb_av}為：

其中f_s為開關(guān)頻率。

那么輸入電流為：

工頻周期內(nèi)平均輸入功率P_in為：

其中T_line為輸入交流電壓周期。

假設(shè)變換器效率為100％，那么輸入功率等于輸出功率，即P_in＝P_o，由式(9)可得占空比D為：

由式(7)和式(9)可以求得PF值得表達(dá)式：

根據(jù)式(12)可做出定占空比控制下的PF值曲線，如圖3所示。從圖中可以看出，當(dāng)輸出電壓V_o一定時，V_m越大，對應(yīng)的PF值越小，而Boost三電平PFC變換器對比傳統(tǒng)兩電平變換器，在功率器件額定值不變的情況下輸出電壓可以提高至兩倍，因此可以通過提高輸出電壓的電壓等級來提高PF值，但PF值仍受輸入電壓幅值與輸出電壓比值變化的影響。因此，需要提出新的方法來提高PF值。

2.提高PF值的變占空比控制方法的推導(dǎo)與實現(xiàn)：

觀察(7)式，如果取占空比

則輸入電流變化為：

如果在一個工頻周期內(nèi)，占空比按照式(13)變化，當(dāng)D_o由取常數(shù)時，輸入電流式(14)為正弦波，并且與輸入電壓同相位，就是使PF＝1。

由式(1)和式(14)，可推導(dǎo)出變換器的平均輸入功率P_in為：

由上式可得：

將式(16)帶入式(13)，可得：

由式(17)可以看出，所得變占空比D_y在工頻周期內(nèi)按照正弦規(guī)律變化，是關(guān)于輸入電壓v_in(t)的函數(shù)，所以可以使輸入電流與輸入電壓同相位，PF值達(dá)到1。變占空比表達(dá)式的波形圖如圖4所示。

3.本發(fā)明一種提高Boost三電平變換器PF的裝置及方法

結(jié)合圖5，提高Boost三電平變換器PF的裝置，包括主功率電路1、數(shù)字處理控制器2、信號調(diào)理電路3、驅(qū)動電路4、輔助供電電路5和采樣調(diào)理電路6；

所述主功率電路1包括：輸入電壓源v_in，EMI濾波器，二極管整流電路RB，Boost電感L_b，功率開關(guān)管Q1和Q2，二極管D1和D2，儲能電容C1和C2，負(fù)載R_L；輸入電壓源v_in與EMI濾波器的輸入端口連接，EMI濾波器的輸出端口與二極管整流電路RB的輸入端口連接，二極管整流電路RB的負(fù)輸出端為參考零電位點，二極管整流電路RB的正輸出端與Boost電感L_b的一端連接，Boost電感L_b的另一端分別與第一功率開關(guān)管Q1的漏極和第一二極管D1的陽極連接，第一二極管D1的陰極分別與第一儲能電容C1的陽極和負(fù)載R_L的一端連接，第一儲能電容C1的陰極分別與第一功率開關(guān)管Q1的源極、第二功率開關(guān)管Q2的漏極和第二儲能電容C2的陽極連接，第二儲能電容C2的陰極分別與第二二極管D2的陽極和負(fù)載R_L的另一端連接，第二二極管D2的陰極分別與第二開關(guān)管Q2的源極和二極管整流電路RB的負(fù)輸出端連接，主功率電路1中二極管整流電路RB兩端的電壓為整流電壓V_g，負(fù)載R_L兩端的電壓為輸出電壓V_o；

所述數(shù)字處理控制器2包括：ADC模塊、控制算法和PWM模塊，整流電壓V_g和輸出電壓V_o經(jīng)過采樣調(diào)理電路6后接入數(shù)字處理控制器2的ADC模塊，ADC模塊的輸出送至數(shù)字處理控制器2的控制算法，控制算法的結(jié)果通過PWM模塊輸出至信號調(diào)理電路(3)；

所述信號調(diào)理電路3將數(shù)字處理控制器2輸入的PWM信號進(jìn)行調(diào)理放大，信號調(diào)理電路3的輸出端與驅(qū)動電路4的輸入端連接；

所述驅(qū)動電路4輸出的控制信號分別與主功率電路1的第一開關(guān)管Q1和第二開關(guān)管Q2的柵極相連接；

所述輔助供電電路5的輸出分別接入數(shù)字處理控制器2、信號調(diào)理電路3、驅(qū)動電路4和采樣調(diào)理電路6，輔助供電電路5的作用是給上述各電路中芯片工作提供電能；

所述采樣調(diào)理電路6的兩個輸入端分別與主功率電路1中二極管整流電路RB的正輸出端和與第一儲能電容C1陽極相連的負(fù)載R_L的一端相連接，采樣的整流電壓V_g和輸出電壓V_o經(jīng)過調(diào)理后與數(shù)字處理控制器2的ADC模塊輸入端相連。

優(yōu)選地，所述數(shù)字處理控制器2采用DSP芯片TMS320F28335。

本發(fā)明提高Boost三電平變換器PF的方法，包括以下步驟：

步驟1，采樣調(diào)理電路6采集主功率電路1的整流電壓V_g和輸出電壓V_o，經(jīng)過電壓調(diào)理后得到滿足要求的輸入電壓范圍后，送入數(shù)字處理控制器2的ADC模塊；

步驟2，數(shù)字處理控制器2的ADC模塊將電壓模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，送至數(shù)字處理控制器2的提高功率因數(shù)的控制算法中；

步驟3，在數(shù)字處理控制器2的提高功率因數(shù)的控制算法模塊中進(jìn)行變換器的占空比控制運(yùn)算，使變換器的占空比在半個工頻周期內(nèi)按照正弦規(guī)律變化；

所述數(shù)字處理控制器2的提高功率因數(shù)的控制算法采用變化規(guī)律為：的占空比控制運(yùn)算，其中V_o為主功率電路1的輸出電壓，P_o為主功率電路1的輸出功率，V_m為主功率電路1的輸入交流電壓的峰值，ω為輸入交流電壓的角頻率，L_b為Boost電感值，f_s為開關(guān)頻率。

步驟4，經(jīng)控制運(yùn)算得到的占空比控制信號經(jīng)數(shù)字處理控制器2的PWM模塊輸出，PWM信號通過信號調(diào)理電路3和驅(qū)動電路4后，驅(qū)動主功率電路1中的兩個功率開關(guān)管Q1和Q2。

綜上所述，本發(fā)明公開了一種提高Boost三電平變換器PF的裝置及方法，能夠降低功率開關(guān)管的電壓應(yīng)力，減小電感的體積，減小變換器的損耗，提高變換器的效率，采用數(shù)字處理控制器進(jìn)行數(shù)字控制運(yùn)算，使變換器的占空比在半個工頻周期內(nèi)按照正弦規(guī)律變化，將功率因數(shù)提高至1，具有高功率因數(shù)、高功率密度、方便實現(xiàn)等優(yōu)點。