開(kāi)關(guān)電源中的有源功率因數(shù)校正技術(shù)

前言

　　隨著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步及社會(huì)發(fā)展的需要，幾乎所有電氣設(shè)備的電源裝置部分都采用開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源是為計(jì)算機(jī)、通信和家用電子設(shè)備等提供直流電源的一種電力電子裝置，具有體積小、效率高、功率密度大等優(yōu)點(diǎn)，在電源領(lǐng)域中已占據(jù)主導(dǎo)地位，獲得了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，但由此產(chǎn)生的網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)降低以及諧波污染等問(wèn)題也日趨嚴(yán)重。目前，開(kāi)關(guān)電源等電力電子裝置已成為最主要的諧波污染源，它迫使電力電子技術(shù)領(lǐng)域的研究人員要對(duì)這類問(wèn)題給出有效的解決方案?！　∪藗冏钤缡遣捎秒姼泻碗娙輼?gòu)成的無(wú)源網(wǎng)絡(luò)來(lái)進(jìn)行功率因數(shù)校正的，但采用這種技術(shù)的設(shè)備體積龐大，對(duì)輸入電流的諧波抑制效果也并不十分理想，隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，開(kāi)關(guān)變換技術(shù)突飛猛進(jìn)，20世紀(jì)80年代，有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。到了90年代，國(guó)內(nèi)外學(xué)者和科技人員相繼提出了一些用于功率因數(shù)校正（PFC）的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)和新型控制方法等，使有源功率因數(shù)校正技術(shù)取得了長(zhǎng)足發(fā)展。本書(shū)結(jié)合國(guó)內(nèi)外功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及研究成果，系統(tǒng)地介紹了無(wú)源功率因數(shù)校正（PPFC）技術(shù)和有源功率因數(shù)校正技術(shù)的基本原理、典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制策略以及：PFC電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用技術(shù)等，以便從事開(kāi)關(guān)電源開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)、應(yīng)用和維護(hù)的技術(shù)人員，系統(tǒng)、全面地了解和掌握PFC技術(shù)?！　”緯?shū)不僅包括APFC的經(jīng)典電路結(jié)構(gòu)和控制策略，而且對(duì)新出現(xiàn)的無(wú)橋PFC、交錯(cuò)并聯(lián)PFC、單級(jí)：PFC等新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和PFC數(shù)字控制策略等新型控制方式進(jìn)行了詳細(xì)分析和歸納總結(jié)，并給出了部分設(shè)計(jì)實(shí)例。全書(shū)內(nèi)容分11章進(jìn)行論述：　　第1章緒論，主要介紹PFC的基本概念、諧波限制標(biāo)準(zhǔn)、改善功率因數(shù)和諧波的基本方法以及.PFC技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)等?！　〉?章PPFC，主要介紹傳統(tǒng)PPFC電路的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)合，并介紹幾種提高功率因數(shù)的整流電路及部分濾波方式的諧波抑制方法?！　〉?章、第5章、第6章和第7章分別介紹單相APFC典型電路、單級(jí)APFC電路、無(wú)橋.PFC及交錯(cuò)并聯(lián)PFC電路的工作原理及應(yīng)用?！　〉?章和第9章主要介紹典型三相APFC變換器和三相單級(jí)APFC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、工作原理及特點(diǎn)。

內(nèi)容概要

　　《開(kāi)關(guān)電源中的有源功率因數(shù)校正技術(shù)》結(jié)合國(guó)內(nèi)外有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，對(duì)功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)進(jìn)行了較為全面的論述。主要內(nèi)容包括：無(wú)源功率因數(shù)校正（PPFC）技術(shù)、有源功率因數(shù)校正技術(shù)的典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略、單相單級(jí)PFC變換器、三相PFC變換器、無(wú)橋PFC電路、交錯(cuò)技術(shù)在PFC中的應(yīng)用、PFC的數(shù)字控制技術(shù)以及PFC技術(shù)在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用等?！　【幷吡D反映國(guó)內(nèi)外電力電子技術(shù)領(lǐng)域在APFC技術(shù)方面的進(jìn)展和所取得的研究成果，以便讀者系統(tǒng)、全面地了解和掌握?！堕_(kāi)關(guān)電源中的有源功率因數(shù)校正技術(shù)》可供從事開(kāi)關(guān)電源開(kāi)發(fā)、設(shè)計(jì)及生產(chǎn)的相關(guān)工程技術(shù)人員和高等院校相關(guān)專業(yè)的師生閱讀。

書(shū)籍目錄

前言第1章 緒論11.1 開(kāi)關(guān)電源輸入整流電路形式與諧波電流11.1.1 單相交流輸入開(kāi)關(guān)電源11.1.2 三相交流輸入開(kāi)關(guān)電源21.2 功率因數(shù)和諧波21.2.1 功率因數(shù)定義21.2.2 功率因數(shù)和THD的關(guān)系31.2.3 諧波產(chǎn)生的危害41.2.4 諧波限制標(biāo)準(zhǔn)41.3 改善開(kāi)關(guān)電源功率因數(shù)及諧波問(wèn)題的基本方法61.3.1 功率因數(shù)校正實(shí)現(xiàn)方法61.3.2 功率因數(shù)校正方案對(duì)比81.3.3 在開(kāi)關(guān)電源中實(shí)施功率因數(shù)校正的意義91.4 APFC電路與DC/DC變換器的主要區(qū)別101.5 PFC技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)10參考文獻(xiàn)12第2章 PPFC電路132.1 傳統(tǒng)無(wú)源LC濾波電路132.2 提高功率因數(shù)的幾種整流電路15.2.2.1 采用充電泵電路152.2.2 采用非線性電容電路162.2.3 倍電壓整流電路182.3 部分濾波方式的高次諧波抑制方法202.3.1 1/N濾波型202.3.2 能量反饋型232.3.3 充電量控制型242.3.4 部分升壓方式高次諧波抑制電路26參考文獻(xiàn)27第3章 APFC典型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)293.1 基于Buck電路的PFC變換器293.1.1 工作原理及模態(tài)分析293.1.2 輸入電流分析313.1.3 輸入功率因數(shù)及THD313.2 基于Boost電路的PFC變換器333.2.1 工作原理及模態(tài)分析333.2.2 輸入電流分析343.2.3 輸入功率因數(shù)353.3 基于Buck-Boost電路的PFC變換器363.3.1 工作原理及模態(tài)分析363.3.2 輸入電流分析373.4 基于Cuk、Sepic和Zeta電路的PFC變換器383.4.1 工作原理及模態(tài)分析393.4.2 輸入電流分析413.5 基于Flyback的PFC變換器423.6 基于Sepic的帶隔離變壓器的PFC變換器433.6.1 工作原理及模態(tài)分析433.6.2 輸入電流分析44參考文獻(xiàn)45第4章 APFC的控制策略464.1 常用的CCM控制策略464.1.1 峰值電流控制464.1.2 平均電流控制474.1.3 滯環(huán)電流控制484.1.4 脈動(dòng)電流面積控制494.2 DCM控制策略494.2.1 恒頻控制504.2.2 變頻控制504.3 新型非線性控制策略514.3.1 單周期控制514.3.2 滑模變結(jié)構(gòu)控制624.3.3 空間矢量PWM控制634.3.4 無(wú)差拍控制64參考文獻(xiàn)65第5章 單相單級(jí)PFC變換器665.1 單相單級(jí)PFC變換器的發(fā)展歷程665.2 典型單相單級(jí)PFC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)675.2.1 PFC（DCM）+DC/DC（DCM、CCM）組合方式675.2.2 PFC（CCM)+DC/DC（DCM、CCM）組合方式685.2.3 并聯(lián)型單級(jí)PFC(PPFC)變換器695.2.4 單級(jí)全橋PFC變換器705.2.5 有源鉗位和軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的應(yīng)用715.3 帶抽頭電感的單級(jí)PFC變換器715.3.1 電路構(gòu)成725.3.2 工作原理和模態(tài)分析725.3.3 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果745.4 有源鉗位PFC變換器775.4.1 電路結(jié)構(gòu)和工作原理775.4.2 軟開(kāi)關(guān)條件及電路特性分析815.4.3 控制電路設(shè)計(jì)835.4.4 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果855.5 單級(jí)全橋PFC變換器875.5.1 電路結(jié)構(gòu)與功率因數(shù)校正原理875.5.2 工作模態(tài)分析885.5.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析915.6 并聯(lián)型高效率PFC變換器935.6.1 并聯(lián)型變換器提高效率的原理935.6.2 傳統(tǒng)并聯(lián)型PFC變換器945.6.3 改進(jìn)的并聯(lián)型PFC變換器955.7 變換器數(shù)學(xué)模型的建立和仿真分析985.7.1 擴(kuò)展?fàn)顟B(tài)平均法985.7.2 等效電路模型及狀態(tài)方程的導(dǎo)出995.7.3 數(shù)學(xué)模型的建立1015.7.4 仿真分析103參考文獻(xiàn)105第6章 無(wú)橋PFC電路1066.1 基本型無(wú)橋BoostPFC1066.1.1 基本型無(wú)橋BoostPFC電路的工作原理1076.1.2 基本型無(wú)橋BoostPFC的采樣電路1086.2 無(wú)橋BoostPFC的EMI分析和抑制方法1126.2.1 相對(duì)電位分析法1136.2.2 模型分析法1136.2.3 EMI抑制措施1156.3 無(wú)橋BoostPFC的其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)1166.3.1 圖騰式無(wú)橋BoostPFC電路1166.3.2 偽圖騰式無(wú)橋BoostPFC電路1186.3.3 雙向開(kāi)關(guān)型無(wú)橋BoostPFC電路1196.3.4 雙二極管式無(wú)橋BoostPFC電路1206.4 無(wú)橋BoostPFC的電路模型1236.4.1 電路的大信號(hào)模型1236.4.2 電路的小信號(hào)模型1246.5 無(wú)橋BoostPFC的控制策略1276.5.1 模擬控制1286.5.2 數(shù)字控制1316.5.3 部分有源PFC控制1326.6 無(wú)橋BoostPFC的軟開(kāi)關(guān)技術(shù)1336.7 無(wú)橋單級(jí)電子鎮(zhèn)流器1356.7.1 開(kāi)關(guān)管復(fù)用結(jié)構(gòu)的無(wú)橋單級(jí)電子鎮(zhèn)流器1356.7.2 電荷泵結(jié)構(gòu)的無(wú)橋單級(jí)電子鎮(zhèn)流器137參考文獻(xiàn)139第7章 交錯(cuò)技術(shù)在PFC中的應(yīng)用1427.1 交錯(cuò)并聯(lián)PFC電路1427.1.1 交錯(cuò)技術(shù)簡(jiǎn)介1427.1.2 交錯(cuò)并聯(lián)PFC電路結(jié)構(gòu)1427.2 交錯(cuò)并聯(lián)BoostPFC電路的特性分析1457.2.1 輸入電流紋波分析1457.2.2 輸出電容電流紋波分析1477.2.3 交錯(cuò)并聯(lián)結(jié)構(gòu)對(duì)PFC電感的影響1487.3 交錯(cuò)并聯(lián)PFC的控制策略和實(shí)現(xiàn)方式1487.3.1 控制策略1487.3.2 實(shí)現(xiàn)方式1507.4 交錯(cuò)并聯(lián)PFC電路設(shè)計(jì)實(shí)例1557.4.1 參數(shù)設(shè)計(jì)1567.4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果160參考文獻(xiàn)161第8章 三相兩級(jí)APFC電路1638.1 三相單開(kāi)關(guān)APFC電路1638.1.1 三相單開(kāi)關(guān)BoostAPFC電路1638.1.2 其他三相單開(kāi)關(guān)APFC電路1718.2 三相多開(kāi)關(guān)APFC電路1758.2.1 三相雙開(kāi)關(guān)APFC電路1758.2.2 三相三開(kāi)關(guān)APFC電路1798.2.3 三相四開(kāi)關(guān)APFC電路1818.2.4 三相六開(kāi)關(guān)APFC電路1828.3 由單相APFC組成的三相APFC電路1858.3.1 由三個(gè)單相APFC在輸出端并聯(lián)組成的三相APFC電路1868.3.2 由帶隔離DC/DC變換器的單相APFC組成的三相APFC電路1868.3.3 將三相電壓變成兩相后再并聯(lián)組成的三相APFC電路1878.4 數(shù)字化三相APFC1888.4.1 三相單開(kāi)關(guān)數(shù)字APFC1888.4.2 三相六開(kāi)關(guān)數(shù)字APFC1898.4.3 三電平三相數(shù)字APFC189參考文獻(xiàn)190第9章 三相單級(jí)APFC電路1929.1 基于反激式拓?fù)涞娜鄦渭?jí)APFC電路1929.1.1 三相單開(kāi)關(guān)反激式APFC電路1929.1.2 變壓器和二極管橋分離的三相單開(kāi)關(guān)反激式APFC電路1949.1.3 三相雙開(kāi)關(guān)反激式APFC電路1959.1.4 開(kāi)關(guān)緩沖及軟開(kāi)關(guān)電路1979.2 三電平三相單級(jí)APFC電路2029.2.1 電路結(jié)構(gòu)及工作原理2029.2.2 軟開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)范圍2069.2.3 電流斷續(xù)條件2079.3 基于全橋拓?fù)涞娜鄦渭?jí)APFC電路2089.3.1 基于移相控制的三相單級(jí)全橋APFC電路2089.3.2 基于偽相移控制的三相單級(jí)全橋APFC電路2119.3.3 基于有源鉗位技術(shù)的三相單級(jí)全橋APFC電路2139.4 其他三相單級(jí)APFC電路2179.4.1 基于雙向開(kāi)關(guān)的能量雙向流動(dòng)三相單級(jí)APFC電路2179.4.2 雙開(kāi)關(guān)三相單級(jí)APFC電路2179.4.3 同步四開(kāi)關(guān)三相單級(jí)APFC電路2189.4.4 由單相APFC組成的三相單級(jí)APFC電路220參考文獻(xiàn)222第10章 PFC的數(shù)字控制技術(shù)22410.1 PFC數(shù)字控制技術(shù)概述22410.2 PFC數(shù)字控制策略22510.2.1 平均電流控制策略22510.2.2 帶前饋的平均電流控制策略22610.2.3 占空比預(yù)測(cè)控制策略22710.3 PFC數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)方式23010.3.1 基于DSP的PFC數(shù)字控制方式23010.3.2 基于FPGA的PFC數(shù)字控制方式23210.3.3 基于多核芯片的PFC數(shù)字控制方式23310.4 快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)PFC數(shù)字控制算法23710.4.1 電壓環(huán)帶寬設(shè)計(jì)原則23810.4.2 電壓環(huán)帶寬對(duì)輸入輸出諧波的影響23910.4.3 快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)PFC數(shù)字控制算法239參考文獻(xiàn)241第11章 APFC技術(shù)在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用24311.1 單級(jí)APFC技術(shù)在直流閥驅(qū)動(dòng)電源中的應(yīng)用24311.1.1 主電路結(jié)構(gòu)24311.1.2 功率因數(shù)校正原理24311.1.3 軟開(kāi)關(guān)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)24511.1.4 控制電路設(shè)計(jì)24611.1.5 實(shí)驗(yàn)分析24811.2 PFC技術(shù)在“綠色照明”電源中的應(yīng)用24911.2.1 PFC技術(shù)在電子鎮(zhèn)流器中的應(yīng)用24911.2.2 APFC技術(shù)在LED驅(qū)動(dòng)電源中的應(yīng)用25211.3 APFC技術(shù)在不間斷電源（UPS）中的應(yīng)用25411.3.1 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)25411.3.2 工作原理25511.3.3 主要參數(shù)設(shè)計(jì)25711.3.4 控制方式與實(shí)現(xiàn)25811.4 單周期控制策略與無(wú)橋PFC電路在開(kāi)關(guān)電源中的應(yīng)用25911.4.1 電路構(gòu)成與控制策略25911.4.2 單周期控制的抗擾動(dòng)能力分析26011.4.3 PFC電路相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)26111.4.4 實(shí)驗(yàn)分析26311.5 三相APFC技術(shù)在大功率焊接電源中的應(yīng)用26411.5.1 電源結(jié)構(gòu)26411.5.2 APFC級(jí)構(gòu)成及工作原理26511.5.3 軟開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)265參考文獻(xiàn)266

章節(jié)摘錄

　　根據(jù)電路控制規(guī)律可知，在輸入電壓突變時(shí)，相對(duì)于電路瞬態(tài)過(guò)程來(lái)說(shuō)，輸入等效電阻的變化非常緩慢和微小。在每一周期控制電路均按前述推導(dǎo)的控制方程進(jìn)行動(dòng)作，而此控制方程是基于輸入阻抗為恒定純電阻的假設(shè)得到的，滿足這一方程，即可使輸入電流與輸入電壓時(shí)時(shí)同相位。因此，在輸入電壓變化時(shí)，電路無(wú)瞬態(tài)過(guò)渡過(guò)程而在任意周期實(shí)現(xiàn)輸入電流跟隨輸入電壓，即實(shí)現(xiàn)了很好的連續(xù)功率因數(shù)校正功能?！　∝?fù)載擾動(dòng)抑制：當(dāng)輸入電壓恒定時(shí)，負(fù)載變化可等效為負(fù)載電流的變化，從而直接影響檢測(cè)電流，因此對(duì)于負(fù)載變化，是由PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)控制電壓的同時(shí)，與電流的變化共同調(diào)整以保持輸出電壓的恒定。因此響應(yīng)快，穩(wěn)定性好，輸出端電壓基本無(wú)明顯變化。　　11.4.3 PFC電路相關(guān)參數(shù)設(shè)計(jì)　　1.功率器件選擇根據(jù)前面章節(jié)對(duì)無(wú)橋PFC電路工作原理的分析，當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，與其同一橋臂上的二極管反向截止，流經(jīng)開(kāi)關(guān)管的電流為電感電流，二極管上的反向電壓為輸出電壓；當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，與其同一橋臂上的二極管正向?qū)ǎ_(kāi)關(guān)管上的電壓為輸出電壓，流經(jīng)二極管的電流為電感電流。因此，在選擇功率開(kāi)關(guān)管和二極管時(shí)，其額定電壓必須大于輸出電壓，額定電流必須大于電感電流的最大值。

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