單周期控制及其在電力電子中的應用畢業設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 CgVmVmDLsgi?圖 單周控制單相 Boost PFC 電路原理圖單周期控制單相 Boost PFC 電路原理圖如圖 。由圖可知，輸入側有電感攀枝花學院本科畢業設計（論文） 3 單周期控制在功率因數校正中的應用12L，其作用是：減少輸入電流紋波，同時可防止電網對主電路高頻瞬態沖擊。此為 PFC 系統中最常見的拓撲之一。而單管 Boost 電路為單相 Boost PFC 電路中最廣泛的拓撲。為了更好闡述圖 所示原理，先做以下假設：①電路工作于 CCM 模式；②輸入頻率遠小于開關頻率。電路達到穩態后，輸入電壓、輸入電流和輸出電壓在幾個開關周期內保持不變；③設電路無損耗，即電路效率 η=100%。在如圖 所示 Boost 電路進入穩態時，由電路原理可得： 式（）dVg??10式（）中: Vg——輸入電壓； ——輸出電壓；d——占空比。由上式變0換方程可得： 式（）01Tdgson?式（）中： ——開關周期； —一個開關周期內開關管導通時間。由sTon單周期控制原理可得： 式（）sgmsRiV??式（）中： ——電壓調節輸出電壓； ——電感電流； ——電感采mV sR樣電阻。滿足前述假設，則在幾個相鄰開關周期內， 不變， 在一個輸入電gVm壓周期為定值。若假設： 式（）0VResm?聯立方程式（）、（）可得： 式（）egi式（）中，輸入阻抗 是一定值，也就是說此電路的輸入阻抗是純阻性的，那么此電路可實現功率因數校正。 單周期控制單相 Boost PFC控制回路設計在對單周期控制單相 Boost PFC 電路工作原理的分析中，由式（）變換方程得： 式（）mseVR0?式（）中，當 與 成比例時，在一個開關周期內輸入阻抗 保持不變，0 eR由此達到減少輸出紋波對輸入電流畸變的影響。在圖 中， 是電壓環輸出，mV攀枝花學院本科畢業設計（論文） 3 單周期控制在功率因數校正中的應用13若想使 和 成比例，則可設計一電壓環誤差放大器。此電壓環可采用 PI 調節0Vm器，如圖 。電壓調節器refV0 )(tVm圖 電壓環控制框圖在圖 中，由自動控制原理得，PI 調節器的傳遞函數為： 式（）skAipv??)(如圖 所示 PI 調節器，其輸入是基準電壓與輸出電壓的差值。輸出電壓由瞬態分量 和穩態分量 構成，其穩態分量用來保證輸出電壓跟蹤基準電mV)(^tm壓?，F假設此 PI 調節器的輸出方程為： 式（）)()(^tvVtm??若要分析 Boost PFC 電路中輸出電壓上的紋波電壓，先做以下假設：①此電路無損耗，即效率 η=100%；②輸出電流直流分量全部流過負載，輸出電流交流分量全部流過電容；③輸出電壓的紋波足夠小。定義輸出電壓 ，輸入電壓)(0tv，輸入電流 ,則有：)(tvg)(tig 式（）^00)()(tvVtv?? 式（）ing?s2 式（）tItig由上述假設可得，輸入功率與輸出功率相等，則有： 式（）)2cos1()cos1(0tPtIVpini ???? 式（）00)2(ViptP由假設輸出電流分量全部流過電容，結合式（）得： 式（）ttic?os)(0結合上式，可計算得到輸出電壓紋波也就是電容紋波電壓，為： 式（）tCVPtv2sin)(0^0??將式（）代入電壓環的 PI 調節器中，可得電壓環交流項輸出，即：攀枝花學院本科畢業設計（論文） 3 單周期控制在功率因數校正中的應用14 式（）)2cos12(sin)(0^ tktCVPktvpipm ????式（）中： ——PI 調節器的零點，設置 PI 調節器零點，是零點i/?遠低于 ，即：?2 式（）2?pik聯立方程式（）、（）和（）可得： 式（）)()(^0tvkVRtvpesm??若設定 PI 調節器的比例系數如下: 式（）espk再對式（）進行簡化，得： 式（）)()]([)(0^0tvktVtvppm???在 PI 調節器設計時，結合（）和（）兩約束條件，得 和 成比0Vm例，由此保證在一個周期內輸入阻抗不變，也就減少了輸出電壓紋波對輸入電流畸變的影響。本章對單周期控制單相Boost PFC電路的基本原理進行了詳細的分析，得到了電路工作在CCM狀態下的相關公式，對單周期控制單相Boost PFC控制回路進行了簡單的參數分析設計。在后面章節中，會給出單周期控制單相Boost PFC的MATLAB仿真，對本章所敘述內容進行相關驗證。攀枝花學院本科畢業設計（論文） 4 單周期控制技術在全橋逆變器中的應用154 單周期控制技術在全橋逆變器中的應用現今社會，隨著各行各業技術的不斷發展，大到交流電動機，小到交流負載都需要逆變器的供電，就連直流電源變換系統中也涉及到逆變器。同時，現代設備對電能質量要求的增長，使電網提供的原始電能再也不能滿足其增長要求。那么，這些原始電能需要經過變換之后才能讓這些設備運行，而在這些變換環節中，通常會使用到逆變器。另一方面，隨著新能源的開發，逆變器已成為其重要環節。綜上所述，逆變器的應用已非常廣泛。在全橋逆變電路中，單相全橋逆變電路是應用最為廣泛的。由于單周期控制技術是通過對占空比控制，實現在一個開關周期內是控制開關變量的平均值與參考值成比例或相等，所以，本章著重研究單相全橋逆變器的單周期控制技術。 單周期控制單相全橋逆變器的原理 inVdV0ViCLi1v2v3v4v圖 單相全橋逆變器主電路圖單相全橋逆變器的主電路如圖 。其中： ——橋臂輸出電壓； ——電dVLi感電流； ——輸出電壓； ——輸出電流。在分析圖 之前，先做以下假設：0V0i①所有器件均理想，忽略其死區；②輸出電壓頻率遠小于開關頻率，輸入電壓和輸出電壓 在幾個相鄰開關周期內保持不變。in0攀枝花學院本科畢業設計（論文） 4 單周期控制技術在全橋逆變器中的應用16主電路L C 濾波電路電壓環單周期控制器orefVdrefVPWMdV0V圖 全橋逆變器單周期控制框圖據單周期控制基本原理，由圖 可得，在每個開關周期內需控制 的平均dV值，使其等于輸出電壓 的給定值。這樣才能讓輸出電壓很好地跟蹤參考電壓。0V在采用模擬控制時，利用積分復位電路來對這一功能進行實現。要使系統性能得以很好的改善，加入一電壓調節器即可。如圖 為系統的整體控制框圖。其中：輸出電壓給定； 電壓環輸出。orefVdref在日常生活中，一般將單周期控制器分為兩種形式：單極性控制方法、雙極性控制方法。以將作出對兩種控制方法的分析。 雙極性控制模式 QRSR S 觸發器時鐘發生器比較器CdrefV 1234R運算放大器圖 雙極性控制模式圖 為雙極性控制模式。由一運算放大器組合而成的可復位積分器、一比較器、一 RS 觸發器和一時鐘發生器構成了一個結構較為簡單的控制電路。經過實踐分析，雖然雙極性控制模式操作比較簡單，可是它在負載較輕的時候，容易攀枝花學院本科畢業設計（論文） 4 單周期控制技術在全橋逆變器中的應用17出現直流偏移。雙極性控制模式的工作原理如下。首先定義參數 ：u 式（）????amp。在如圖 所示全橋逆變器主電路中，由電路原理，得輸出側方程為： 式（）?????RVdtCiLi0由 的定義得： 。將其代入方程式（）可得：uinduV 式（）inutLt?020在一個開關周期內，控制積分控制器讓 的平均值與 值相同。平均化處dVoref理方程（）可得： 式（）dinutRLdtC??020如圖 所示，電壓環采用的是 PID 調節器。其傳遞函數可表示為： 式（）??????0 00)()()( tVkVkVkVorefdorefiorefpdref對式（）進行平均化處理，可得： 式（）???000)(tdorefipdref經以上分析，先聯立方程式（）、（），再對其求取微分，可得： 式（）orefiipd VktktVkRLtVC???02030 )1()(由式（）可得，對 PID 調節器參數的合理選取，可以確保輸出電壓嚴格的跟蹤到參考電壓。由圖 單相全橋逆變器主電路圖和圖 全橋逆變器單周期控制框圖可得：要想使逆變器對輸入電壓擾動做出快速響應，則需對橋臂中點電壓 采樣引入輸入電壓前饋控制。dV 雙極性控制模式數字控制算法的實現攀枝花學院本科畢業設計（論文） 4 單周期控制技術在全橋逆變器中的應用18P I D 調節器積分器輸出R S 觸發器復位信號驅動信號圖 雙極性控制模式單周控制器調制波形雙極性控制模式單周期控制器調制波形如圖 。由圖可知，調制器積分量是橋臂中點電壓值，參考量是 PID 調節器輸出。則有： 式（）ddrefV?采用數字控制時，可用一 PWM 中斷在中斷計算中計算出 PID 調節相關參數。公式（）中 d 為占空比，可對其進行計算并不斷更新。 單極性控制模式 QRS時鐘發生器比較器CdrefV 1S234R邏輯A邏輯BF FA 1A 2比較器B 1B 2Y 1Y 2圖 單極性控制模式圖 為單極性控制模式。其主電路由兩個工作在高頻狀態、兩個工作在工頻狀態的開關管組成，其目的是減少開關損耗的同時提高開關效率，并且當正負半周工作在對稱情況時可消除直流偏置。單極性模式由這兩個比較復雜的邏輯電路構成，這樣可以解決過零點的誤差問題。據 的定義可得到 。其工作uinduV?攀枝花學院本科畢業設計（論文） 4 單周期控制技術在全橋逆變器中的應用19原理分析與雙極性控制模式相同。給出邏輯電路結構如下圖所示，其控制邏輯A、B 分析如下。首先定義參數 、 、 ：1u2 式（）?????ONSFS2amp。 式（）4312 式（）)(uinV3S4dV0LiCR圖 S1 閉合，S2 斷開時電路邏輯圖inV3S4dV0LiCR攀枝花學院本科畢業設計（論文） 4 單周期控制技術在全橋逆變器中的應用20圖 S1 斷開，S2 閉合電路邏輯圖圖 為當 時，S1 閉合，S2 斷開的電路邏輯圖。此時若 A1=0，則對0?drefV積分，那么 S4 閉合，S3 斷開， 。所以 B1=1，Y2=0。此時 A2=B2=1。表dV0?Q 為 時的邏輯關系表。圖 是當 時，S1 斷開，S2 閉合的電路ref ?drefV邏輯圖。分析可知，是對負值積分，故當 A1=1 時進行積分。此時，S4 斷開，S3閉合，得如表 所示邏輯圖。表 邏輯關系表A1 0 1 1 0A2 1 1 0 0Y1 0 1 0 1B1 1 0 1 0B2 1 1 0 0Y2 0 1 1 0S3amp。S4?drefV時，A2=B2=1，S1 閉合，S2 斷開S4 閉合 S3 閉合?dref時，A2=B2=0，S1 斷開，S2 閉合S3 閉合 S4 閉合表 最小項表達式A 0 0 1 1B 0 1 0 1)(0m?1 0 0 010 1 0 02?0 0 1 0)(30 0 0 1表 邏輯 A 和邏輯 B