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应用于数字PFC系统的高性能数字PWM研究与设计

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第一章 绪论

1.1 研究背景

1.2 研究价值

1.3 国内外研究发展现状

1.3.1 功率因数校正技术

1.3.2 关于PWM 整流器调制技术

1.4 研究内容与技术路线

1.4.1 课题主要研究内容

1.4.2 课题技术路线

第二章 相关理论基础

2.1 功率因数的定义、标准及分类

2.1.1 功率因数的定义

2.1.2 功率因数的标准

2.1.3 功率因数校正技术的分类

2.2 Buck变换器控制方法

2.2.1 电压型控制

2.2.2 电流型控制

2.2.3 有关V2控制介绍

2.3 开关电源的控制方法

2.3.1 脉宽调制技术

2.3.2 谐振变换技术

2.3.3 软开关技术

第三章 基于DSP的PFC数字系统采样硬件设计

3.1 数字控制平台选取及外围电路设计

3.1.1 关于DSP控制器的选用

3.1.2 时钟模块硬件电路

3.1.3 复位电路

3.1.4 DSP控制器晶振电路

3.2 检测与保护电路的设计

3.2.1 电流检测与保护电路

3.2.2 电压检测与保护电路

3.2.3 温度检测与过热保护电路

3.3 数字控制器的主电路设计

3.3.1 有源功率因数校正电路的原理

3.3.2 采样算法和采样频率的选择

3.3.3 数字PWM信号的产生

3.3.4 数字PFC升压转换器的结构

3.4 数字功率因数校正器的设计与实现

3.4.1 前馈电压环节(Fcn(qk))的设计

3.4.2 电压反馈环节(Fcn(bk))的设计

3.4.3 电流环(Fcn(I))的设计

3.5 转换器Buck电路的设计

3.5.1 误差放大器的设计

3.5.2 振荡电路的设计

3.6 数字PFC硬件实物

第四章 系统的软件设计

4.1 编译环境的介绍

4.2 主程序流程设计

4.3 关于AD采样软件设计

4.4 子程序设计

4.4.1 电网频率检测

4.4.2 控制算法程序

4.4.3 数字PWM算法程序

4.4.4 子程序保护

第五章 PFC的Matlab仿真电路及波形

5.1 Buck变换器原理

5.1.1 Buck 变换器传递函数

5.1.2 Buck边界条件验证

5.2 Buck变换器的动态建模

5.2.1 状态平均的概念

5.2.2 小信号交流等效电路

5.2.3 平均开关模型

5.2.4 状态空间平均法

5.3 SIMULINK仿真电路

5.3.1 前馈电压环节(Fcn(qk))的方框图

5.3.2 SIMULINK仿真电路建模

5.4 PFC(功率因数校正器)的仿真设计

5.4.1 SIMULINK仿真电路设计指标

5.4.2 SIMULINK仿真电路

5.5 SIMULINK仿真结果

第六章 总结

6.1 研究工作总结

6.2 研究工作展望

参考文献

附录一(单级PFC开关电源Matlab仿真电路)

附录二(SIMULINK仿真电路)

附录三 攻读硕士学位期间撰写的论文

附录四 攻读硕士学位期间申请的专利

附录五 攻读硕士学位期间参加的科研项目

致谢

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摘要

在工业化普及的初始阶段,涉及到的大多数电气装置仅仅包含一些电感、电阻以及电容等基本电子元件,当交流电网对这些装置供电的时候,产生的谐波电流数量级比较小,通常都能够忽略。而现如今电力电子技术已经发生了质的改变,很多新兴的电子设备,像计算机、打印机、整流器等都得到了普及,而与之相关的非线性元件的使用也普遍的增加。 在此前提下,为了能够确保整个电网受到谐波的影响较小,提高供给电气设备电能的综合质量,相关部门针对电能质量的判定设置了一定的标准,将电网的谐波电流与电压规范到可接受的允许范围内。在处理电力电子装置产生的谐波对电网造成的影响的过程中,除了使用滤波装置滤去谐波之外,使用电网侧高功率因数整流器也是一种非常有效的抑制手段。 开关功率变换器的功率因数校正及控制技术对于电力电子装置的发展起着关键性的作用。如今普遍使用的就是基于Boost电路的功率因数校正技术。对此本文的主要研究工作如下所示: (1)本文在校正技术的选择上不同于传统的方式,其核心原理是通过电流控制的方法,采用Boost电路拓扑结构,并通过DSP的功率因数校正控制器来实现对于PFC电路中开关器件的数字化控制,最终达到实现对功率因数的校正目的。 (2)本文章通过对整流电路进行分析,比较系统中谐波电流在系统环境中的危害,从而进一步的发现功率因数与谐波之间在非正弦电路条件下的内在关联。在此基础上给出了一些提高功率因数或者对谐波进行抑制的方法。通过PWM策略结合有源功率因数校正PFC技术进一步提升输入端的功率因数,并应用比较完整的数学建模,实现对于模型的分析,最后结合整个项目的设计需求,研究出电压型PWM换流器。 (3)基于三相静止坐标系,本文对PWM换流器运行相关的原理与换流过程做了详细的说明。课题中包含了采样电路、过零检测电路、DSP控制电路等模块。采样电路的功能主要是针对交流侧电流和直流侧电压的监测,而过零检测电路的主要功能就是完成电网频率的锁相以及电流检测的任务,最重要的DSP控制电路模块主要完成的任务就是利用数字电路实现控制策略并最终得到PWM波形,最终实现对于主电路开关器件的控制。文章最后通过MATLAB进行仿真实验,在特定的实验环境,即220V/50Hz环境下进行,完成了电路的优化,进一步提升了系统的有源功率因数,并且获得400V的稳定直流输出电流。

著录项

  • 作者

    王志昊;

  • 作者单位

    南京邮电大学;

  • 授予单位 南京邮电大学;
  • 学科 电子与通信工程
  • 授予学位 硕士
  • 导师姓名 朱卫平;
  • 年度 2018
  • 页码
  • 总页数
  • 原文格式 PDF
  • 正文语种 中文
  • 中图分类
  • 关键词

    数字; PFC; 系统; 高性能; PWM;

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