高性能开关电源PFC技术数字化研究

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功率因数校正技术(PFC)使得AC/DC变换电路的输入电流与输入电压同频同相,降低了电流谐波含量。拓扑结构、控制策略以及建模分析等方面的研究已成为PFC技术的研究热点。而基于交错并联Boost拓扑结构 PFC在较高功率等级电路、降低输入电流谐波等方面具有显著的优势,数字控制技术进一步提高了PFC装置的控制效果。以SiC为代表的宽禁带半导体器件的研发与应用使 PFC在提高功率密度、降低整机损耗方面表现出了比常规硅基器件更优异的性能。本文以 PFC技术的数字化控制作为研究对象,以提高整流设备的整机效率为目标展开研究,具体研究工作概括如下:  首先,以Boost PFC为基础分析了交错并联Boost PFC的工作原理,建立了Boost PFC的等效数学模型,设计了交错并联Boost PFC的数字控制器,并对控制网络进行环路补偿,利用Matlab工具给出了电压环和电流环的波特图,验证了理论分析结果;  其次,分析了交错并联Boost PFC两支路之间的DPWM移相角对电路总电流的影响,针对两支路由于器件参数差异导致的电流不平衡问题设计了基于占空比逐周期调节的均流策略;基于UCD3138设计了交错并联Boost PFC的硬件控制系统,解决了电流控制环的时间延迟问题;研究了MOSFET及升压二极管损耗原理,分析了 SiC功率器件相对硅基器件在降低器件损耗方面的优势,并得出结论。  最后,本文的研究成果经过基于UCD3138的1400W数字PFC硬件电路验证,完成了稳态特性、动态特性和带载能力测试,实验表明所设计 PFC系统在宽功率范围内达到0.99以上的功率因数和95%以上的效率,具有良好的稳态性能和动态响应能力,带载能力优异;SiC功率器件和传统硅基器件经过350W功率等级的PFC对比试验,实验结果表明仅使用SiC器件替代硅基器件在高压输入下效率提高0.8%,在低压输入下提高1%,SiC器件具有明显优势。
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