摘 要

PFC技术在解决谐波问题中发挥着重要的作用，是提高电能质量的一项重要途径。本文讨论了一种基于sensorless的同步整流CRM模式Boost PFC变换器，相较于传统的CRM Boost PFC变换器而言，主要有以下改进：一方面，采用同步整流方式来提高系统的整体效率；另一方面，采用sensorless数字控制取代传统的模拟控制电路，大大简化了电路结构，在保证了高功率因数的同时，也保持了电路更高的效率。

文章首先对CRM模式Boost PFC变换器的工作过程做了详细介绍，分析了MOSFET代替二极管进行同步整流时的功率损耗以及控制方法；同时，依据CRM模式的工作特性研究了对应的sensorless控制实现方式，利用simulink搭建了一套sensorless控制器电路。经仿真显示，sensorless控制器较好地实现了预期功能，具有良好的功率因数校正效果，电路具有较高的效率。

最后，为了更贴近于实际电路环境，分析了考虑寄生电容后的MOSFET模型对PFC变换器所造成的影响。结果表明，在考虑寄生电容时，升压电感会与MOSFET的寄生电容发生谐振，若有，Boost开关管可以在谐振结束时实现软开关，若有，Boost开关管在谐振结束后，则会因其两端电压不为零而不能完成软开关。为了实现开关管全工作过程均可完成软开关，本文提出了一种延长开关管关断时间的控制策略。

关键词：CRM模式；Boost PFC变换器；sensorless控制；同步整流

Abstract

PFC technology plays an important role in solving harmonic problems and is an important way to improve power quality. This paper discusses a sensorless-based synchronous rectifier CRM-mode Boost PFC converter. Compared with the traditional CRM Boost PFC converter, the main improvements are as follows: on the one hand, synchronous rectification is used to improve the overall efficiency of the system; on the other hand, sensorless digital control is used to replace the traditional analog control circuit, which greatly simplifies the circuit structure and guarantees high power factor. At the same time, it also maintains the higher efficiency of the circuit.

Firstly, the working process of CRM mode Boost PFC converter is introduced in detail, and the power loss and control method when MOSFET replaces diode for synchronous rectification are analyzed. At the same time, the corresponding sensorless control realization method is studied according to the working characteristics of CRM mode, and a set of sensorless controller circuit is built by simulink. The sensorless controller built in Simulink in this paper has achieved the expected function well, and the PFC converter has higher power factor and higher efficiency.

Finally, in order to be closer to the actual circuit environment, the influence of the MOSFET model considering parasitic capacitance on the PFC converter is analyzed. The results show that when parasitic capacitance is considered, the boost inductance will resonate with the parasitic capacitance of MOSFET. If there is , the Boost switch can realize ZVS at the end of resonance. If there is , the Boost switch can not complete ZVS because the voltage at both ends is not zero. In order to solve this problem, a ZVS control strategy is proposed by extending the switching off time.

Key Words: CRM mode; Boost PFC converter; Sensorless control; Synchronous rectification

目录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 PFC技术的研究背景 1

1.2 PFC技术的研究现状 2

1.2.1 PFC主电路拓扑结构分析 3

1.2.2 Boost PFC变换器工作模式分析 4

1.3 PFC技术的发展趋势 5

1.4本文的研究意义与章节安排 6

1.4.1 研究意义 6

1.4.2 章节安排 6

1.5本章小结 7

第2章 CRM模式同步整流Boost PFC变换器建模 8

2.1引言 8

2.2 CRM模式Boost PFC变换器工作原理分析 8

2.2.1 CRM模式Boost PFC变换器工作模态分析 8

2.2.2 CRM模式电路特征分析 10

2.2.3传统CRM模式Boost PFC变换器控制策略 12

2.3 CRM模式同步整流Boost PFC变换器的数学模型 13

2.3.1 CRM模式电路特征分析 13

2.3.2 损耗分析 15

2.3.2 控制方式 16

2.4 本章小结 16

第3章 CRM模式Boost PFC的sensorless控制器建模 17

3.1引言 17

3.2 sensorless控制器原理 17

3.3主电路参数设计 18

3.3.1升压电感设计 19

3.3.2输出电容设计 19

3.4 simulink电路搭建 20

3.5 simulink电路仿真结果与分析 22

3.6电感电流维持CRM工作模式的条件 24

3.7本章小结 26

第4章 开关管寄生电容对变换器特性的影响探究 27

4.1引言 27

4.2开关管寄生电容对电感电流波形的影响 27

4.2.1寄生参数模型分析 27

4.2.2谐振等效电路模型 30

4.3主开关管实现全工作过程ZVS控制策略 31

4.4本章小结 32

结 论 33

参考文献 35

致 谢 38

第1章 绪论

PFC技术在解决谐波问题中发挥着重要的作用，是提高电能质量的一项重要途径。而当下，电力电子设备在PF值、功率密度与效率方面都有着越来越高的要求，所以高性能的PFC技术手段也正成为电力电子领域的讨论热点。

1.1 PFC技术的研究背景

随着电力电子高频、高效的发展方向，开关电源正在取代线性电源而越来越多地应用于现代供电体系中。对于开关电源而言，当输入电压是市电时，在输入侧需要采用整流桥与一个较大的滤波电容进行整流稳压，以此来得到较为稳定的直流输入。受滤波电容影响，在整个工作周期中，二极管并不会一直导通工作。仅当输入电压瞬时值高于滤波电容两端电压（输入电压峰值附近）时，二极管才有电流流过，使得输入端电流波形呈现出高幅值的尖峰波形而非正弦波。由傅里叶分析可得出，这种严重失真的波形中包含大量的谐波，从而会对电网造成谐波污染。

（a）开关电源输入端电路 （b）输入电流波形畸变

图1.1因输入端滤波电容引起的波形畸变

电源设备引入的谐波不仅降低了电能的传输利用效率，同时也给电气、通信设施带来EMI（Electro-Magnetic Interference）干扰，严重威胁电力系统稳态工作。为此，一些国家与国际组织相继提出了谐波限值标准，如国际电气电子工程师协会、国际电工委员会等提出的IEEE519-1992、IEC61000-3-2标准^[1]。我国也于1994年和1998年分别颁布了（GB/T14549）与GB17625.1-1998等谐波标准^[2]。

解决谐波问题的主要手段之一是优化电子设备的电路设计，增加相关校正电路，让电流与电压为相位一致的标准正弦波形，使其负载特性接近于纯阻性（PF值1），从而达到谐波标准的要求，即PFC技术。

1.2 PFC技术的研究现状

最早的PFC技术是利用电感和电容构成的无源电路实现的，称之为无源PFC。这种方式通过在原有的电路基础上增加电感，利用电感阻碍电流变化的特性，抑制住输入端电流的尖峰波形，从而在一定程度上改善供电线路上输入电流的畸变。同时也利用了电感对电容的补偿特性，对PF值较低、EMI干扰的情况进行相关改进。然而，采用这种方式时增加的无源元件体积都较大，无法满足现代电力电子设备小型化、高功率密度的要求。同时无源PFC技术的PF值最高到0.95，THD也仅降低到30%附近，很难达到当下严苛的谐波标准要求^[3]。因此，校正性能更加优越的有源PFC电路应运而生。

（a）典型的无源PFC电路 （b）经无源PFC电路改善后的电感电流波形

图1.2 无源PFC电路PFC效果有限

图1.3 有源PFC电路结构

有源PFC技术的基本原理是在原有的电路基础上增加一个DC-DC变换器电路，将整流输出部分与滤波电容隔离开来，利用全控开关器件构成的直流斩波电路对输入电流波形进行控制，使得输入电流波形校正为与电源电压同相的正弦波。此时对于供电端来说，后级电路呈现的是一个接近于纯阻性的负载，功率因数能够达到0.995以上，总谐波含量可以降低到5%以下。相对于无源PFC技术，有源PFC技术表现出极高PF值、极低THD值与更小体积等优势，因而其应用越来越广泛。然而，有源PFC也有着电路结构与控制过程复杂、开关损耗较大与效率较无源PFC电路低等缺陷 ^[4]。

1.2.1 PFC主电路拓扑结构分析

传统的6种非隔离型DC-DC斩波电路，均能够用于有源PFC。其原理均是将经过整流全桥得到的低频半波脉动直流电经过“斩波”作用变为高频脉冲波，电流波形可以是断续的，其包络线紧紧跟随电压波形，同时包络线与电压波形同相，以此实现功率因数补偿。

（a）Buck PFC主电路拓扑 （b）Boost PFC主电路拓扑

（c）Buck-Boost PFC主电路拓扑 （d）Cuk PFC主电路拓扑

（e）SEPIC PFC主电路拓扑 （f）Zeta PFC主电路拓扑

图1.4 传统非隔离DC-DC PFC主电路拓扑

上述6种PFC拓扑中，（d）、（e）、（f）三种拓扑对功率因数的校正效果更加显著，但是所用器件较多，结构更为复杂，并且所增加的电容器将承受很大的纹波电流，在提高成本的同时并没有获得更高的可靠性，故而并未得到广泛的应用^[5]。

在（a）、（b）、（c）三种结构简单的PFC电路中，Boost拓扑型PFC因其较另外两者更优的特性，在有源PFC中最受欢迎。具体分析如下：①Buck PFC与Buck-Boost PFC中的开关管均紧邻整流桥，这样就造成输入电流波动较大，从而对滤波电路的设计要求更加严格。相对而言，Boost PFC电路中整流桥后串联的是升压电感，其输入电流的高频纹波相对较小，对滤波电路的要求较低。②因为Boost PFC一直工作在升压状态，所以不会像Buck PFC可能存在输入电流为零的导通死角③Buck-Boost PFC电路中，开关管的源级没有直接接地，增加了开关管驱动设计的难度，而Boost PFC电路的开关管源级直接与主电路地相连，驱动设计较为容易^[6]。综上，Boost拓扑型PFC具有更高的研究价值与发展空间。

1.2.2 Boost PFC变换器工作模式分析

（a）CCM （b）CRM （c）DCM

图1.5 CCM、CRM、DCM模式下电感电流波形图

根据Boost PFC变换器中的电感电流波形连续与否，可以将其工作模式分成DCM（Discontinuous Current Mode）、CRM（Critical Conduction Mode）和CCM（Continuous Current Mode）三种。

其中，DCM模式的优点在于：控制电路较为简单，仅需一个电压环；可以实现ZCS（Zero Current Switch），二极管不存在反向恢复损耗；输入电流波形畸变程度较小，故而PF值较高。但也存在较为明显的缺陷：由于电感电流峰值较大，电路元件承受的应力也较大；电流纹波脉动明显，造成较大的EMI；定频控制下，电压传输比越大，理论上PF值就越低。因而DCM Boost PFC一般应用于中小功率设备^[7]。

CCM模式下电感电流脉动较小，电流平均值较小，可用于大功率设备。CCM模式Boost PFC也是目前应用最广的有源PFC变换器，其控制方法包括滞环电流控制、平均电流控制与峰值电流控制等^[8]。但因开关管工作于硬开关状态，故存在较大的开关损耗，同时二极管在反向导通过程中存在较大的反向恢复损耗，对电路的整理效率影响较大。

CRM模式是介于DCM与CCM之间的一种工作状态。在每个开关周期中，当输入电流降至零时开关管开通，输入电流到达参考值时开关管关断。相较于CCM模式，其开关管可实现零电流开通，二极管可实现零电流关断。可以在很大程度上减小开关损耗与二极管反向恢复损耗，同时其所使用的电感尺寸也可以更小。相较于DCM模式，其具有更高的功率密度，更低的电流应力与更小的器件导通损耗。因而，CRM模式Boost PFC正逐渐受到关注^[9]。

1.3 PFC技术的发展趋势

有源PFC技术虽然有效地解决了PF值低、THD值高的问题，但是也存在较大的开关损耗、二极管的反向恢复损耗、采样电路的能量损耗等能量消耗，降低了电源的总体效率，这是工程师所不希望看到的。为了顺应当下开关电源领域高PF值、高效率的要求，目前PFC技术的发展趋势主要集中在：

（1）软开关技术的应用

通过应用软开关技术以实现开关器件的ZVS（Zero Voltage Switch）或ZCS（Zero Current Switch），减少高频管的开关损耗，以此来提高电路的效率，是目前流行且较为成熟的研究方向之一^[10]。

（2）不同模式的控制策略的研究

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：