1. 研究目的与意义（文献综述）

基于单相pfc电路的有源电容模块设计

1目的及意义（含国内外的研究现状分析）

随着电力系统的不断发展，谐波一直是电网中存在的重要问题，尤其是在整流和逆变电路得到广泛应用之后，消除谐波，提高系统性能和延长设备寿命成为了一个很关键的问题[1]。在单相功率因数校正电路中，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。电解电容一直是人们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。

2. 研究的基本内容与方案

2研究（设计）的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1基本内容

分析功率因数校正电路的工作原理，掌握无电解电容的功率解耦技术，对比分析现有有源功率解耦方法，归纳总结其功率解耦的基本原理和核心思路，通过对典型解耦方法中脉动功率和无功功率流通路径的分析，将功率解耦技术分为无需添加任何额外元件的基于储能元件波形控制的功率解耦方法和添加少量储能元件和有源器件构建功率流通路径的功率解耦模块，缩短低频脉动功率和无功功率的流通路径，最后将无电解电容的功率解耦技术与功率因数校正电路相结合，通过仿真和实验验证所进行的研究工作的正确性和有效性。

2.2技术方案

2.2.1PFC电路的设计

随着电能质量问题受到越来越广泛的关注，功率因数校正已成为电力电子技术领域的常规需求，具有功率因数校正功能的电源几乎覆盖了除微小功率产品外的所有电力电子装置。其中单级PFC技术优势较为明显，单级PFC变换器拓扑是将功率因数校正电路中的开关元件与后级DC-DC变换器中的开关元件合并和复用，将两部分电路合二为一。因此单级PFC变换器具有以下优点：①开关器件少，主电路体积及成本可以降低；②控制电路通常只有一个输出电压控制环，简化了控制电路；③有些单级变换器拓扑中部分能量可以直接传递到输出侧，不经过两级变换，所以效率可能高于两级变换器。基本的boost型单级PFC工作原理为：开关在一个开关周期中按照一定的占空比导通，开关导通时，输入电源通过开关给升压电路中的电感储能，同时中间直流电容同过开关给反激变压器储能，在开关关断期间，输入电源与电感一起给电容充电，反激变压器同时向二次侧电路释放能量。开关的占空比由输出电压调节器决定。由以上分析，可以得到单级PFC电路的特点如下：

1）单级PFC电路减少了主电路的开关器件数量，使主电路体积及成本降低。同时控制电路通常只有一个输出电压闭环控制，简化了控制电路。

2)单级PFC变换器减少了元件的数量，但是元件的额定值都比较高，所以单级PFC变换器尽在小功率时整个装置的成本和体积才具有优势，对于大功率场合，两级PFC变换器比较适合。

3）单级PFC变换器的输入电流畸变率明显高于两级PFC变换器，特别是仅采用输出电压控制闭环的boost型变换器。

2.2.2 无电解电容的功率解耦电路设计

功率解耦技术整体上可以分为两种类型，不添加任何有源功率器件，充分利用变换器内部储能元件和开关器件实现功率解耦的基于储能元件波形控制的功率解耦技术和通过添加有源功率器件和储能元件的方式构造脉动功率和无功功率流通路径的有源功率解耦技术。其中有源功率解耦方法主要的有如下几种，

1）串联电压源：有源功率解耦方法旨在通过添加有源开关器件和储能元件，将交流侧产生的脉动功率和无功功率转移至额外的储能元件中。该方法能够在直流母线直接对直流电压波形进行补偿，将不平衡的脉动功率转移到串联电压源中；同时，该方法能够充分利用串联进入级联变换器的交流电容的正负能量，将储能元件的利用率实现最大化。然而，由于电压源串联在级联变换器中充分利用了电容的正负半周，因此，电压源电路结构中包含了全桥以及直流电源或其他大容量储能装置，增加了系统的成本，同时，从系统的角度来看，变换器的可靠性依然存在隐患。

2）并联电流源：分位电感储能和交流电容储能两种方式 ，有源功率解耦方法的本质是将交流侧所需要的低频脉动功率从直流侧端口转移到非输入输出侧的储能元件中，无论是电感还是电容均能够作为低频脉动功率的储能元件。由于电感的可靠性和稳定性具有显著优势，因此，多种采用电感作为储能元件的功率解耦方法被提出。采用电感储能的方法效果显著，可以将交流侧的脉动功率转移到解耦电路中的储能电感中，并且解耦电路的工作状态独立，不会对原变换器的电路结构和控制策略带来影响。然而，该解耦电路在设计过程中也存在诸多问题。由于电感作为功率解耦的储能元件，需要短时间内提供脉动的瞬时功率，因此，为了保证电感电流能够保持较快的跟踪速度，电感量的设计需要尽量小，从而满足控制器快速性的要求；然而，当储能电感的感值减小时，意味着相同的低频脉动功率将会引起电压电流脉动的增加，从而导致消耗在电感中等效串联电阻上的能量上升，增加了变换器的损耗。当储能电感中纹波电流的幅值增加时，所添加的功率解耦电路中开关元器件的电压和电流应力也随之增大，不仅增加了系统的损耗，同时也增加了变换器设计的全寿命周期成本。于此同时，该功率解耦电路中储能电感的电流方向的单相性也会增加电感的磁芯损耗。

近年来，具有高可靠性，低等效串联电阻的薄膜电容的发展引起了工程设计人员和科研人员的广泛关注，涌现出了一系列采用薄膜电容作为低频脉动功率储能元件的功率解耦方法。薄膜电容相比电解电容而言，具有等效串联电阻小，可靠性高，耐高压，高频等优势，同时也存在功率密度低，成本高的问题。采用储能电容的方法能够有效将脉动功率转移到储能电容上，但会在变换器中引入额外的低频脉动功率，例如：储能电容产生的4次脉动功率辐射到直流侧产生4 次低频纹波电流，虽然对于燃料电池供电系统和LED驱动而言，其危害性可以忽 略不计，但该纹波在级联变换器中将会对后级变换器的工作带来影响；同时，储能电容采用了正负半周具有相同储能性能的交流薄膜电容，而该方法中带有直流偏置的电容电压仅使用了正半周期，没有充分利用元器件的工作范围，故基于该解耦电路的控制方法和优化策略有待于进一步挖掘。

3）基于功率解耦模块的功率解耦技术研究

基于储能元件波形控制的功率解耦技术能够不添加额外的功率器件，通过 改变非交流、直流端口的储能元件的波形，储存交流侧和直流侧的不平衡功率。

图2-1单相变换器连接功率解耦模块结构图

该功率解耦模块在交流侧具有2个串联差分去耦电容器。与DC PDM相比，所提出的模块保持较小的滤波电感，这是因为将交流电感重新用作续流电感，因为充分利用脉动功率的电容以及直接由交流侧的串联电容器提供脉动功率的最短流动路径，电容电压的电压应力较小。

2.2.3 双向Buck/Boost型功率解耦模块

本课题采用双向Buck/Boost型功率解耦模块，因为直接并联双向Buck/Boost变换器电路结构简单、器件成本低、去耦效果好，所以本次课题选择此拓扑结构。

双向Buck/Boost变换器是一种能够在不改变输入输出电压极性的前提下，控制能量双向流动的DC/DC电路，包括一个电感、一个电容和两个功率开关器件及其反并联二极管。以双向Buck/Boost变换器作为功率解耦模快，吸收PFC功率变换装置中的纹波功率，则传统的升压型无解电容方案电路结构如图所示。

图2-2升压型双向BUCK/Boost功率解耦法结构框图

2.2.4方案论证

通过PLECS中搭建PFC电路，并将其中的输出侧滤波电容用功率解耦模块代替，通过计算得到电路中各元器件的参数，通过观察输出电流波形验证方案是否正确。

3. 研究计划与安排

3进度安排

1-2周，完成开题报告和文献翻译，完成开题答辩；

3-5周，对pfc电路展开设计；

4. 参考文献（12篇以上）

4阅读的参考文献不少于15篇（其中近五年外文文献不少于3篇）

[1] 陈坚, 康勇.电力电子变换和控制技术. 高等教育出版社. 2011.

[2] s. yang, a. bryant, andp. mawby, ―an industry-based survey of reliability in power electronicconverters,‖ ieee transactions on industry applications, vol. 47, no. 3, pp.1441-1451. sep. 2011.