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摘 要

学号 16012506 学生姓名 钱 爽

指导老师 曲小慧

交直流转换器技术是电力电子技术中的一个重要领域，在一个单相互联电网系统中，交直流转换器往往需要在交流电网和直流母线之间转换能量，而基本的整流电路不仅会使输入电流畸变，产生谐波污染，造成输入端功率因数降低，而且会出现交流功率不平衡的问题以致交流谐波功率流入母线。基于以上问题，本文提出了一种新型的单相三桥臂整流电路方案，作为其基础，先研究了解决输入电流谐波污染提高输入端功率因数的PFC(Power Factor Correction，功率因数校正)技术，主要内容如下：

(1)首先分析了boost型单管整流PFC电路的拓扑结构和工作原理，在设计控制系统时采用的是电压电流双闭环控制结构，控制器采用PI控制，其驱动电路运用PWM原理，在分析双闭环PI算法的基础上进行电路设计，然后建立了MATLAB/simulink模型，通过仿真验证了整个系统的设计正确性和实验可行性。

(2)在boost-PFC单管整流的基础上设计boost-PFC四开关H桥整流电路，建立MATLAB/simulink模型，通过仿真验证，作为单管整流的进化，其输入电流谐波相对前者减少的程度更大，基本消除了电流谐波污染，功率因数接近1。

(3)为了实现交流功率平衡，增加一个带储能电容的桥臂，即在四桥臂整流器的基础上合并一个桥臂，提出了一种单相三桥臂整流电路，用第三个桥臂的控制系统来平衡交流功率以实现输出直流电压的纹波最小化，而且将储能电容最小化提高转换效率，通过理论分析验证其电路结构和设计的合理性。

关键词：Boost单相整流，功率因数校正，双环控制，PWM脉宽调制，交流储能电容器

ABSTRAT

AC - DC converter technology is an important field in power electronics technology，in a single-phase interconnected power system, AC -DC converters often need to transfer energy between AC power grid and DC bus. However , the basic rectification circuit not only can make the input current distortion, resulting in harmonic pollution, and the power factor of the input terminal is reduced, also there will be the problem of AC power imbalance so that the AC harmonic power flow into the DC bus. Based on the above problems, this paper proposes a new single-phase AC-DC three-phase-leg SPWM converter. As its basis, this paper first study the PFC (power factor correction) technology to solve the input current harmonic pollution and improve the power factor of the input terminal. The main contents are as follows:

(1)Firstly, begins with an analysis of the topological structure and the working principle of the boost type single PFC rectifier circuit, voltage and current double closed-loop control structure, the controller uses PI control is adopted in the design of the control system and the driving circuit with PWM principle. Based on the analysis of the double closed loop PI algorithm, the circuit design was carried out, then the MATLAB model was established, and the correctness and feasibility of the design of the whole system was verified by simulation.

(2) In the single boost PFC rectifier based design H bridge four switch boost PFC rectifier circuit, MATLAB model is established, verified by simulation, as the evolution of single tube rectifier, the input harmonic current relative to the former decreased to a greater degree, basically eliminates the current harmonic pollution and power factor close to 1.

(3) In order to achieve the AC power balance, a bridge arm with energy storage capacity is added. A bridge arm is combined on the basis of the four bridge rectifier, we proposes a new single-phase AC-DC three-phase-leg converter, a control system with the third bridge arm is used to balance the AC power in order to minimize the ripple of the output DC voltage, it can also minimize the energy storage capacitance to improve the conversion efficiency. Verify the rationality of the circuit structure and design through theoretical analysis.

Keywords: boost single phase rectifier, power factor correction, double loop control, PWM pulse width modulation, AC energy storage capacitor.

目 录

摘 要 I

ABSTRAT II

第一章 绪 论 1

1.1课题的研究背景及意义 1

1.1.1交直流转换技术的发展 1

1.1.2交流电流谐波和直流电压纹波对电网的影响 2

1.2课题研究现状 4

1.2.1功率因数校正(PFC)技术 4

1.2.2交流功率平衡技术 5

1.3本文的主要工作 6

第二章 单相Boost-PFC电路与控制技术 7

2.1基于Boost变换实现PFC的工作原理 7

2.1.1Boost-PFC单管整流电路 7

2.1.2 Boost-PFC四开关H桥整流电路 8

2.2整流器中的PFC控制电路 9

2.2.1电压模式控制DCM 9

2.2.2电流控制模式CCM 10

2.3数字控制的PFC电路 12

2.3.1 PI控制原理 12

2.3.2 PI控制的作用 13

2.4 本章小结 14

第三章 基于有源解耦的单相三桥臂交直流变换 15

3.1有源功率解耦 15

3.1.1无源功率解耦技术 15

3.1.2有源功率解耦技术 16

3.2功率分析和转换器设计 17

3.2.1功率分析 17

3.2.2转换器电路 18

3.3转换器控制 19

3.3.1控制结构 19

3.3.2交流存储电容的参考电压 19

3.3.3电流解耦 22

3.4本章小结 23

第四章 MATLAB建模与仿真 24

4.1Boost-PFC单管整流电路设计建模和仿真 24

4.1.1Boost-PFC单管整流电路设计 24

4.1.2 Boost-PFC单管整流电路建模与仿真分析 26

4.2 Boost-PFC四开关H桥整流电路设计建模和仿真 32

4.2.1Boost-PFC四开关H桥整流电路设计 32

4.2.2 Boost-PFC四开关H桥整流电路的建模和仿真分析 33

4.3本章小结 37

第五章 结论与展望 38

致 谢 39

参考文献 40

第一章 绪 论

交直流转换技术一直是当代电力电子技术发展的重要方向，它在我们生活和生产的众多领域应用广泛，运用简单的二极管整流电路的开关电源在电子设备中十分常见，而大量非线性负载的增加会导致一系列问题，比如电流谐波污染和交流功率不平衡，这将直接导致电网电能质量下降，大量的高次谐波将影响供电系统负载端其他设备的经济安全运行，因此，解决这些问题的重要性不言而喻。

1.1课题的研究背景及意义

1.1.1交直流转换技术的发展

交流-直流(AC/DC)变换又称整流，它是把交流电变换为直流电的变流过程。不可控整流这种变流方式的整流元件是大功率二极管，可以获得幅值恒定的直流电压，称为；可控整流这种变流方式的整流元件是晶闸管等可控器件，可以通过控制门极触发脉冲施加的时刻来控制输出整流电压的大小。整流按照交流电源的相数多少为原则分类，可以分为两大类：单相整流和多相整流，其中多相整流应用较为广泛的是三相整流。其中，单相整流主要分为单相半波整流和单相桥式整流，如下图：

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