摘 要

单相电力变换装置中，由于输入侧与输出侧的瞬时功率不平衡，会使直流侧输出电压带有二倍频率脉动功率，通常需要在输出直流侧并联大容量的电解电容吸收脉动功率。然而电解电容存在体积大，寿命短，稳定性差等缺点，而且谐波电流流过电解电容等效串联电阻会产生热量，这些缺点会影响系统的效率并对系统的安全性造成严重影响，故消除电解电容已成为国内外学术界研究重点。

本文对目前国内外去除电解电容的方法进行了总结，研究了有源电容模块可以消除电解电容的理论依据，对有源功率解耦方式进行了分类说明，并以Buck型有源电容功率解耦模块和Boost型有源电容功率解耦模块为例研究了模块中解耦电容吸收脉动功率最终替代电解电容的工作原理以及对应的控制策略。

最终在单相PFC电路的基础上采用Buck型有源电容模块进行了仿真分析，通过波形控制法对有源电容模块进行控制，仿真结果证明了理论分析的正确性，有源电容模块实现了去除电解电容的目标。

关键词：脉动功率；电解电容；有源电容模块；PFC

Abstract

In a single-phase power converter, The instantaneous power imbalance between the input side and the output side causes the DC side output voltage to have twice the frequency ripple power. It is usually necessary to connect a large-capacity electrolytic capacitor in parallel with the output DC side to absorb the ripple power. However, electrolytic capacitors have the disadvantages of large volume, short life, poor stability, etc., and the harmonic current flows through the equivalent series resistance of the electrolytic capacitor to generate heat. These shortcomings will affect the efficiency of the system and seriously affect the safety of the system. Therefore, the elimination of electrolytic capacitors has become the focus of academic research at home and abroad.

In this thesis, the methods for removing electrolytic capacitors at home and abroad are summarized. The theoretical basis for eliminating the electrolytic capacitors by active capacitor modules is studied. The active power decoupling methods are classified and explained. Taking Buck active capacitor power decoupling module and Boost active capacitor power decoupling module as an example, the working principle and corresponding control strategy of decoupling capacitor absorption ripple power in the module are finally replaced by electrolytic capacitor.

Finally, based on the single-phase PFC circuit, the Buck-type active capacitor module is used for simulation analysis. The active capacitor module is controlled by the waveform control method. The simulation results prove the correctness of the theoretical analysis. The active capacitor module can be removed. The active capacitor module achieves the goal of removing electrolytic capacitors.

Key Words: Pusation power; Electrolytic capacitor; Active capacitor ; PFC

目 录

摘 要 I

Abstract II

目 录 III

第1章 绪论 1

1.1课题背景 1

1.2国内外研究现状 1

1.2.1国外研究现状 1

1.2.2国内研究现况 2

1.3本文主要研究内容 3

第2章 单相PFC电路 4

2.1功率因数校正技术的分类 4

2.2单相PFC电路拓扑结构 4

2.3单相PFC电路工作原理 5

2.4本章小结 6

第3章 有源电容模块的分析 7

3.1电解电容的工作原理 7

3.2二倍脉动功率分析 7

3.3有源功率解耦方式 8

3.3.1并联电流源 8

3.3.2串联电压源 13

3.4本章小结 14

第4章 有源电容模块的控制策略 15

4.1传统控制策略 15

4.2波形控制函数方法 17

4.3闭环控制方法 19

4.4本章小结 19

第5章 仿真及结果分析 20

5.1单相PFC电路仿真及分析 20

5.1.1单相PFC仿真电路设计及参数选择 20

5.1.2仿真结果分析 21

5.2 Buck有源电容模块仿真及分析 24

5.2.1有源电容模块电路设计及参数选择 24

5.2.2仿真结果分析 26

5.3本章小结 31

第6章 总结与展望 32

6.1本文总结 32

6.2工作展望 32

参考文献 33

致 谢 35

第1章 绪论

1.1课题背景

随着电力系统的不断发展，整流与逆变技术的发展日趋完善，但谐波这一重要问题一直伴随着电网的发展。如何消除谐波，提高系统性能和提高系统的运作时间成为学者们研究的当务之急^[1]。在单相PFC电路中，当输入电压和电流为正弦时，输入瞬时功率含有直流分量和交流分量，由于输入和输出瞬时功率平衡，在直流母线上会产生两倍于输入电压频率的电压纹波^[2-9]。为了抑制低频电压纹波，通常使用铝电解电容。电解电容一直是常见的滤波器件。虽然电解电容成本低、能量密度高，但是其寿命很短，且电解电容体积大、稳定性差、ESR大，而使用性能更可靠、成本更低、寿命更高的有源电容来代替电解电容是很好地解决办法。

有源电容方案是通过添加由功率半导体、滤波电感和储能元件组成的电路，起到平衡功率、抑制纹波电压和储存短期能量的作用。

随着开关电源的不断发展，对社会生产力的发展和生活水平的提高有极大的促进作用，但是也存在一些问题。通常，由二极管构成不可控制的呈容型的整流电路，这种电路的优势是结构不太复杂、价格低、稳定性好的优点，由这种电路构成开关电源的输入级，但这种电路的缺陷是输入电流不是正弦波，这导致电力系统的功率因数不够高，影响了对电能的利用效率，可以通过功率因数校正技术（Power Factor Correction, PFC）^[10]解决这个问题。本课题在单相PFC电路的基础上，完成有源电容模块的设计。

功率解耦技术是减少或消除电解电容，提高系统稳定性的主要方法，本课题的研究重点即利用无电解电容功率解耦技术将PFC电路输出侧的电解电容替换掉，以提高电路的性能。

1.2国内外研究现状

本小节分别对国内外对于PFC电路以及功率解耦技术的研究现状进行了介绍，为本文接下来对于单相PFC电路以及有源电容功率解耦电路的研究作下了铺垫。

1.2.1国外研究现状

PFC技术是近年来电力电子学界的研究热点。PFC技术的种类有很多，目前，国内外学者提出一种更适合于小功率电源的单级PFC技术，该技术相对传统的PFC技术的优势在于电路不太复杂、成本低、功率因数高。

在1990年初，M.H.Kheraluwala和I.Takahashi等人首先在所著文章中提出了单级PFC的说法。M.H.Kheraluwala在文章[11]中提出了一种单级的功率变换装置，这种变换装置的特点是可以实现双路输出。M.H.Kheraluwala所提出的电路已与现今的单级PFC变换器的工作原理几乎一致，但电路结构仍然较为复杂。I.Takahashi的文章[12]中提出了另一种方案，该种方案也可以提高电路的功率因数，使功率变换装置变为单级PFC变换器，方案将电路分为了两个部分，其中一个部分为Boost型的ICS（Input Current Shape,输入电流整形）电路，另一个部分是DC/DC变换器，将两部分通过一个开关串联在一起实现单级PFC变换器，但是这种方案存在着一些缺陷，通过这种方式确实可以有效的提高电路的功率因数，是因为使用了脉宽调制和变频技术，但同时这两种技术会导致电路的频率变化范围变宽以及开关器件的电压电流应力较大以至于产生较大的开关损耗。虽然该方法具有一些缺陷，但对单相PFC技术的发展也具有重要的意义，推动了单相PFC技术的发展。

对于PFC技术的研究发现，当忽略电路中电感、电容等电气元件微小的功率损耗时，单相功率变换器输入侧功率与其输出侧的功率相差较大，这会引起功率变换装置输入侧与输出侧的功率失去平衡，最终引起功率变换器的直流输出侧导致直流侧产生二倍低频脉动功率和多次电压电流谐波，会对单相变换器和直流源产生损害。根据能量守恒定律可以得到，要使功率变换器输入侧与输出侧功率不失衡，交流侧所需要的瞬时功率若没有在对应直流侧同时出现，则必须将其转移到功率变换器主电路以外的储能元件中进行储存。在文献[13-16]中提出了一种将低频脉动功率转移至非输入输出侧的储能元件或装置中的方法。该方法将由储能元件、双向直流变换器、全控开关器件组成的源滤波装置并联在系统直流侧，通过控制有源滤波装置内部的开关器件，将低频脉动功率转移至非输入输出侧的储能元件中，通过此方法可以消除多次谐波以及低频脉动功率对直流侧的干扰，此时直流侧不需要再并联大容量的电解电容。然而这种方法也存在一些问题，额外添加的储能、滤波元件和开关器件降低了系统功率密度，提高了成本^[17]。同时，脉动功率较长的流通路径也增加了系统损耗。

1.2.2国内研究现况

国内学者对单级PFC变换器的研究开始的较晚，一些学者在单级PFC变换器的电路拓扑方面也做了一定研究，得出一些有效的方案。南京航天航空大学的许化民同学在文献[18]中提出了一种新的单级PFC变换器。该变换器在传统的正激变换器的基础上多加入了变压器、二极管和电感等电气元件，这种单级PFC变换器也由两个部分组成，其中ICS部分工作在DCM（不连续导电）模式，DC/DC部分工作在CCM（连续导电）模式，该电路的优点在于既能在对输出电压进行快速调节，又可以同时对输入电流进行整形。邓卫华同学在文章[19]中提出了一种全新的单级PFC电路，该电路工作在临界工作模式下，可以对解耦电容的电压进行控制，同时降低了开关器件的电压电流应力，提高了电路的效率。

国内学者对于功率解耦技术的主要研究方向在于通过减少脉动功率的方法消除电解电容，通过主动在交流侧注入奇数次谐波，交流侧瞬时功率因为注入的谐波而发生改变，使交流侧的脉动功率减少甚至消失。该方法虽然可以消除交流侧的脉动功率，但同时也存在着一些缺陷，首先系统的功率因数有一定的下降，但其次该方法仅适用于抑制二倍工频脉动功率，无法实现对交流侧与直流侧之间的瞬时不平衡无功功率进行补偿。

1.3本文主要研究内容

本文首先查阅了国内外对于无电解电容功率解耦技术以及功率校正技术的研究文献，了解了它们的研究现状，并较为详细的分析了单相PFC技术和功率解耦技术的工作原理，并且对单相PFC电路的拓扑结构及控制策略和功率解耦法进行了研究。

第1章：绪论部分，主要介绍了对无电解电容功率技术以及PFC技术的研究背景以及国内外各机构团体个人的研究现状。

第2章：首先介绍了PFC技术的分类，其次对单相PFC电路拓扑结构进行了介绍，最后分析单相PFC电路的工作原理。

第3章：主要针对有源电容模块的工作原理进行分析，首先说明了传统电解电容吸收脉动功率的工作原理，分析了二倍脉动功率产生的原因，随后分析了两种不同的有源功率解耦方式以及它们实现无电解电容的工作原理。

第4章：首先介绍了传统的控制策略，其次分别介绍了Buck型有源电容功率解耦电路的控制策略——波形控制函数法，以及波形控制法所对应的参数计算公式和Boost型有源电容功率解耦电路的控制策略——闭环控制法。

第5章：主要介绍了仿真电路各模块的设计以及电路中器件的参数计算，并且对实验结果进行了分析，验证了有源电容模块可以替代电解电容。

第6章：对全文的总结以及对有源电容模块未来发展做出展望。

第2章 单相PFC电路

随着社会的进步的以及电力电子技术的发展，人民生活以及工业生产对电能质量的要求原来越高，PFC技术也越发引起人们的重视，PFC技术已在电力电子行业中占据了重要地位，几乎所有的电力电子装置都具有带有PFC技术的电源。

2.1功率因数校正技术的分类

根据采用的具体方法不同，可以分成无源PFC和有源PFC两种。

无源PFC技术以二极管整流电路为基础，在其中增加电感、电容等无源电器元件，吸收电路中的脉动功率，最终实现减少电路中多次谐波的含量，提高系统功率因数的目的。这种方法具有操作及电路结构不复杂、系统安全性高，不需要加入控制电路的优点，而缺点是增加的无源元件所占电路的体积较大，导致整体装置不够精致且制作成本不低，并且功率因数在大多数情况下只能到达0.8左右，而谐波含量仅能降至原谐波含量的一半，效果不是很理想，难以满足社会生活的需要。

有源PFC技术采用开关电路对系统输入电流的波形进行跟踪控制，使输入电流与电源同相且都为标准的正弦波，其中开关电路由全控开关器件构成，有源PFC技术的重点是对输入电流的跟踪控制，该技术效果理想，可使多次谐波含量降至5%以下，功率因数可以提高到0.9左右，可以满足社会生产生活的需要，因此得到广泛运用。

2.2单相PFC电路拓扑结构

(1)电感输入型

电感输入型的典型电路是Boost有源PFC电路，将电感作为输入电路，此种方法主要应用于电压型逆变器，电路的优点是使电流维持一个连续的状态，不足之处是升压电路起动及过载冲击大。

(2)电容输入型

电容输入型典型电路是Buck有源PFC电路，将电容作为输入电路，此种方法主要应用于电流型逆变器，电路的优点是电路稳定性高，当电路发生短路时，可以承受较大的短路电流，电路抗短路能力强。不足之处是电路比较复杂，电流会产生断续且电路只能降压。

(3)带隔离的PFC

顾名思义，带隔离的PFC电路包括两个部分，主体部分是PFC电路，另一个部分为是带有隔离装置的直流/直流变换器，该变换器带有电流反馈作用，该电路最大的特点是两个电路部分全部工作在在工作时都处于电流的断续状态。由于其独特的电路结构，这两部分电路的开关器件可以由一个控制信号控制，因此可以减少开关器件的使用数量，简化了电路。此方法主要应用于Boost和Flyback组合式单开关电路。这种方法缺点是增加了开关管的工作损耗和电流应力。

(4)开关电容PFC

当变换器输入输出电压的变化比较大时，应用以往的开关变换器时，开关的占空比会相对较小，导致开关频率较低，变换器的动态范围受到限制。并且开关在工作过程中会受到较大的电压电流应力，若长时间工作在这种状态下不仅会对系统安全造成影响，还会对电路中的其它电气元件产生较大的电磁干扰。在遇到上述情况时，采用开关电容网络实现电压预变换，可以解决上述问题。

开关电容网络是具有电容器、二极管和功率开关等电器元件的的电路模块。开关电容PFC电路也是由两个部分组成的，其中一个部分是单级PFC电路，另一个部分即为开关电容网络。

(5)双Boost PFC电路

由于双Boost PFC电路不需要整流桥，所以电流流经路线上的半导体器件少，相对于传统的Boost PFC电路Boost PFC减少了开关损耗，提高了电路的效率。

2.3单相PFC电路工作原理

该电路采用的即为有源PFC技术，其工作原理为直流电压给定信号和经过低通滤波器后的实际的直流电压比较后的电压偏差经过PI调节器后得到给定的电流信号，并与采样电流进行比较，得出信号波，通过PWM控制MOS管的开关，使直流电压波形跟随电流波形，使电流与电压波形几乎同相位。

图2.1 单相PFC电路图

2.4本章小结

本章首先介绍了PFC技术的分类，主要分为有源PFC技术和无源PFC技术两种，其次介绍了多种单相PFC电路的拓扑结构并且分析了各类结构的特点，最后着重分析了单相有源PFC电路的工作原理，为之后有源电容模块的设计做下铺垫。

第3章 有源电容模块的分析

在单相PFC电路中，当输入电压和电流为正弦时，输入瞬时功率含有直流分量和交流分量，由于输入和输出瞬时功率平衡，在直流母线上会产生两倍于输入电压频率的电压纹波。为了抑制低频电压纹波，通常使用铝电解电容。电解电容一直是滤波采用的最常见的器件。虽然电解电容成本低、能量密度高，但是其寿命很短，且电解电容体积大、稳定性差、ESR大，而使用性能更可靠、成本更低、寿命更高的有源电容来代替电解电容是不错的解决方法。

有源电容方案是通过添加由功率半导体、滤波电感和储能元件组成的电路，起到平衡功率、抑制纹波电压和储存短期能量的作用。

3.1电解电容的工作原理

在无功率解耦模块的电力变换装置中，电路中的脉动功率只能由输出侧电解电容吸收,此时电解电容作为储能元件和缓冲元件，由于传统的铝电解电容存在较多的缺点，所以本文研究通过采用有源电容模块，在功率变换器的输出侧并联解耦电容，通过控制MOS管将脉动功率输送的解耦电容上，从而降低变换器输出侧的脉动功率，完全替代电解电容。

3.2二倍脉动功率分析

当单相功率装置，如单相逆变器或单相整流器经过PFC后，即工作在功率因数约等于1时，单相变换器的交流测电压与电流同相位，其表达式为：

以上是毕业论文大纲或资料介绍，该课题完整毕业论文、开题报告、任务书、程序设计、图纸设计等资料请添加微信获取，微信号：bysjorg。

相关图片展示：