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研究生:賴世偉
研究生(外文):Shih-wei Lai
論文名稱:6 kW數位控制電流饋入式全橋功率因數修正器研製
論文名稱(外文):Study and Implementation of a 6-kW Digitally-Controlled Current-Fed Full-Bridge Power Factor Converter
指導教授:羅有綱邱煌仁
指導教授(外文):Yu-Kang LoHuang-Jen Chiu
口試委員:羅有綱邱煌仁
口試日期:2012-07-06
學位類別:碩士
校院名稱:國立臺灣科技大學
系所名稱:電子工程系
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:72
中文關鍵詞:數位信號處理器電流饋入式全橋功率因數修正器電流內迴路電壓外迴路
外文關鍵詞:DSPdigital-controlled current-fed full-bridge powerinner current loopouter voltage loop
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本論文的目的在於研製一個以數位信號處理器(DSP)為基礎的數位控制電流饋入式全橋功率因數修正器,以德州儀器(Texas Instruments,TI)生產的微控制器TMS320F28035取代傳統類比IC,藉由控制器上的取樣保持電路,分別感測輸入電壓、輸入電流和輸出電壓,再經由控制迴路產生對應之PWM控制信號。其控制迴路分為電流內迴路及電壓外迴路,在電壓外迴路方面,輸出電壓之數位值與輸出電壓參考值比較產生誤差量,透過電壓PI控制器,其輸出決定電流命令的振幅。此控制量與輸入電壓瞬時值、輸入電壓平均值組成一電流命令,再經由電流內迴路之PI控制器,產生對應的控制信號,達到功因修正與穩壓的目的。但是由於輸入電壓、輸入電流和輸出電壓含有兩倍線電壓頻率之漣波成分、開關切換雜訊,其取樣信號的精準度會影響功率因數、穩壓率、總諧波失真度等。通常取樣信號會經過一低通濾波器,藉此濾除高頻雜訊,然而卻會造成信號的延遲與相位失真,因此低通濾波器之設計相對重要,本論文採用一階低通濾波器來滿足設計需求。最後,本論文模擬、實作與測試一部6 kW轉換器雛形電路,以驗證所研究架構與控制策略之可行性。
This thesis presents the design and implementation of a DSP-based digital-controlled current-fed full-bridge power factor correction converter. A micro-controller produced by Texas Instruments is used to replace the conventional analog controller. Via the sample-and-hold circuit on the controller, the input voltage, input current and output voltage are respectively sensed. Then the corresponding PWM control signals are produced. The control loops contain the inner current loop and outer voltage loop. In the outer voltage loop, the digital value of the sensed output voltage is compared to the output voltage reference value to produce the error signal. Then the voltage PI controller determines the amplitude of the current command. This current amplitude command, together with the instantaneous input voltage and the average input voltage value, constitutes the current command. Through the PI controller of the inner current loop, corresponding control signals are resulted to achieve power factor correction and voltage regulation. However, due to the second-order harmonic ripples in the input voltage, input current and output voltage, and the switching noise, the accuracy of the sampled signal will affect the power factor, voltage regulation and total harmonic distortion. The sampled signal usually passes through a low-pass filter to filter out the high-frequency noise. However, it will cause the delay of the signal, resulting in phase distortion. That is why the design of a low-pass filter is very important. A first-order low-pass filter is used to meet the design requirements. Finally, a 6-kW converter prototype is implemented and tested to verify the feasibility of the studied topology and control strategy.
摘要 I
ABSTRACT II
誌謝 IV
目錄 V
第一章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 研究目的 1
1.3 論文大綱 2
第二章 電流饋入式全橋功率因數修正器動作原理 3
2.1 總諧波失真及功率因數的定義 3
2.1.1 總諧波失真 3
2.1.2 功率因數 4
2.2 電流饋入式全橋功率因數修正器動作原理與分析 5
2.2.1 基本動作原理 5
2.2.2 連續導通模式之穩態分析 7
2.2.3 電流饋入式全橋轉換器CCM與DCM之邊界條件 11
2.3 功率因數修正器控制方法 12
第三章 數位控制器之分析與設計 15
3.1電流饋入式全橋功率因數修正器小信號模型之推導 15
3.2 PID控制器 19
3.3電流迴路之分析與設計 19
3.3.1 電流迴路之分析 19
3.3.2 電流迴路之設計 20
3.4電壓迴路之分析與設計 24
3.4.1 電壓迴路之分析 24
3.4.2 電壓迴路之設計 25
3.5 濾波器頻寬與取樣頻率設計 25
3.5.1 濾波器頻寬設計 25
3.5.2 決定取樣頻率 26
第四章 數位控制電流饋入式全橋功因修正器設計 27
4.1 電流饋入式全橋功因修正器電路設計 27
4.1.1 變壓器設計 27
4.1.2 電感設計 29
4.1.3 輸出濾波電容設計 30
4.1.4 功率開關設計 31
4.1.5 輸出整流二極體設計 32
4.1.6 橋式整流器的選擇 32
4.2 回授信號取樣線路設計 32
4.3 微控制器軟體架構與程式流程規劃 34
4.3.1 數位控制分析 34
4.3.2 數位信號處理器TMS320F28035之簡介 35
4.3.3 軟體流程規劃 37
第五章 電路模擬與實驗結果 41
5.1 電路模擬 41
5.2 電路實測波形 46
第六章 結論與未來展望 56
6.1 結論 56
6.2 未來展望 56
參考文獻 58
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