基于小波与单周控制的互容及有源阻抗变换器应用与发展

高潮， 李纯

（1. 深圳信息职业技术学院学报 ，广东 深圳 518172； 2.深圳信息职业技术学院电子通信学院，广东 深圳 518172）



基于小波与单周控制的互容及有源阻抗变换器应用与发展

高潮1， 李纯2

（1. 深圳信息职业技术学院学报 ，广东 深圳 518172； 2.深圳信息职业技术学院电子通信学院，广东 深圳 518172）

摘 要：根据网络理论中互感耦合电路的特点和作用，利用对偶原理，可以建立互容电路拓朴结构、数学模型以及优化的网络参数。同时，根据S.Cuk博士提出的应用互感消除DC/DC变流器输出电流纹波原理，研究在开关变流器中建立互容网络，抑制电磁干扰和消除输出电压纹波，促进电力电子装置性能的完善和应用并为网络理论分析和设计创立一条新的途径。单周控制技术在开关变流器中的最优控制系统和技术特征，将其应用于电力电子变流中，在电路结构（采样电路、驱动电路等）和非线性特性建模方面找到与电力电子装置的结合点，建立起优化的控制系统及动态响应性能，这对提高功率变换装置的总体水平和跟上电力电子技术的最新发展趋势，具有理论价值和市场开发前景。

关键词：小波技术；单周控制技术；互容网络；开关变流；有源阻抗变换

1　小波分析控制技术的研究应用

从上一个世纪的后半叶开始，包括西方主要科学家和中国之内科学工作者都把基于小波与单周控制技术的互容及有源阻抗变换器研究应用发展作为电力电子技术当前的主要研究方向，同时也研究形成了一套有关分析理论和设计计算方法［1］-［4］。目前分析和设计的互容加LC组合变量器与互容器的概念就是小波与单周控制技术的互容及有源阻抗变换器研究应用发展的主要体现和成功。通常而言互容器是一个既简单又非常实用的新型交流网络元件（即互感器）一样，既可以方便准确地实现变压、变流，并且直观上也是一个整体器件。但由此却带来了一个它更胜于常规变压器的优势，它具有方波/准正弦波的波形变换或波形隔离功能。上世纪七十年代后期出现了开关电容滤波器，它们都彼认为一个特色就是电力电子开关显著特点包含其中存在着受时间和系统状态控制的独立动作的开关分析量。小波分析作为时间-频率分析可以把开关控制量表示成如下函数

式（1）中T为开关周期，nT为一个周期内开关的开通时间。在小波分析中有一个著名的Haar函数，可以根据其特色表示为

分析比较公式（1）与公式（2）可以明显两式之间是很相似的。采用基于小波与单周控制技术的互容及有源阻抗变换器研究应用大容量的有源阻抗变换器滤波器。其框图如图1所示。

图1　有源框图结构Fig.1 The block-construction diagram of power electronics

由于变换器内部的开关动作，其暂态响应是间断性的，属于奇异信号。而小波变换具有“变焦距”性质，它对信号的奇异性即奇异点的位置及奇异度的大小的分析十分有效，因此适当选取允许小波后，以小波分析为工具可以找出描述有源阻抗变换器共性的特征以及变换器状态变量的变化规律。为了方便使用计算机实现，使用二进小波变换，二进小波一定是一个允许小波，且

若A=B 时，有

二进小波变换可写为

传统的阻抗完全定义在频域中，为

该定义只能用于稳态分析，对暂态的变化没法描述。基于小波分析，可写出电压为

电流为

建立起相关技术理论和分析设计研究的基础上，综合运行其可以对其进行仿真分析计算，仿真分析如图2所示。

图2　仿真波形（a）Fig.2 The waveform 1 of circuit（a）

图3　仿真波形（b）Fig.3 The waveform 2 of circuit（b）

2　基于单周控制技术的有源开关阻抗变流器

图4　有源功率因数校正AC/DC变流器电路拓扑Fig.4 The power factor correct of AC to DC converter

图5　单周控制技术的AC/DC-PFC变流器系统框图Fig.5 The block-diagram power factor correct of AC to DC converter

单周期控制技术（One-Cycle Control是一种不需要乘法器的新颖控制方法，将这种控制方法应用于功率因数校正是近年来一种新的尝试。针对Boost PFC前置级研究的热点，一是改善功率电路结构，使之进一步优化完善，并提出对功率因数校正主电路采用带有源浮充平台的CCM Boost型功率因数校正变换器；二是控制技术简单化和高效化，根据S.Cuk博士提出的应用互感消除DC/DC变流器输出电流纹波原理，研究在开关变流器中建立互容网络，抑制电磁干扰和消除输出电压纹波，促进电力电子装置性能的完善和应用并为网络理论分析和设计创立一条新的途径。

单周控制技术的有源功率因数校正AC/DC变流器系统控制框图，vm，vs为输入信号，q，qn端为输出信号端，其中由q端信号控制主电路有源开关器件，qn端信号控制复位开关rs的开通与关断。假设积分器的时间常数Ti与时钟周期Ts（即开关周期）一致，选用与非门或者或非门的RS触发器，每个开关周期由恒频时钟CLK启动，当时钟脉冲到来的时候，即S为高电平，信号vs小于vm，则R为低电平，所以RS触发器的q端变为高电平，qn端变为低电平，复位开关rs关断，积分器开始对其输入信号vm进行积分，比较器Comp的反相端电压v2减小，同相端电压vs增大。

图6　单周控制电路原理图Fig.6 The power control circuit converter

图7　电路工作波形图Fig.7 The working wave form of converter

3　互容及有源阻抗变换器的分析应用与研究

在本小节中我们根据“互容”及“互容网络”概念，由互感理论和对偶原理，可以阐述和讨论等效的互容和互容网络，并对互容网络自身的特点、优化的电路参数、实际应用价值等方面进行研究，以便建立起互容网络理论和互容网络综合设计方法，这是网络理论中的一个新概念、新思想和新方法。S.Cuk博士应用互感电路实现开关变流器输出电流零纹波；在此基础上，将互容网络应用于DC/ DC开关变流器中，抑制尖峰干扰、消除电压电流纹波，这突破了传统的依靠共模电感线圈与电容构成滤波器的方法。开关变流器是一个很大的尖峰干扰源和噪声源，无论对供电电网或设备本身都存在较大危害，S.Cuk教授在解决开关变流器的这些问题时，提出了利用输入端与输出端电感进行耦合、调节耦合参数降低电流纹波的设计方法，并取得很好效果。根据S.Cuk得出的结论，将互感耦合电路由互容网络等效取代，通过互容网络中电场电荷量的动态变化和调节，起到了降低输出电压电流纹波至零，以及彻底切断电磁干扰的耦合通道，抑制尖峰干扰和噪声的双重效果。可以预料，为实现绿色电网，在不久的将来，局部电网的终端变压器与直流输电的换流变压器都将采用互容开关网格变压器，而不论其负载是否是整流设备。尽管是新科技产品，但优势在于采用了新原理，所以其设计与制造都绝对不象传统脉波移相型原理的整流变压器那么复杂。仿真研究中，用作Y形联接；用于输入电压 V1 = 120V/60Hz，输出电压 V2 = 15V/2A，作降压变压器 （V1/V2 = 8）。制作要求L1和L2的线性度要好，内电阻尽可能小。此互容器除了不能电隔离，若需要可以在输入或输出端级联一个常规变压器。在设计范围内完全准确实现变压，有功传输效率也是比较高的互容器满载输出标准对称的方波电流，则计算与测试的结果比较接近：若以I 1k /I11表示输入端k次谐波与基波有功电流的幅值比，则I 13 /I11 = 3.33%，I 15 /I11 = 0.71%，I17 /I11 = 0.26%；若对比输出端有 I 23 /I21 = 33.3%，I 25 /I21 = 20%，I27 /I21 = 14.3%；波形变换/隔离功能就已经很好了。互容变压器与互感变压器的对比说明，互容变压器的结构很简单，它和普通常用的互感变压器有本质的区别：互感变压器的工作原理是互感耦合即电磁耦合传递能量；互容变压器的本质是互容耦合即电场耦合传递能量，在互容器原理上实现的LC组合变量器的设计中引入了互感器只是为了实现一次和二次侧的电隔离；互容变压器本身不能实现电隔离，互容变压器如果不需要电隔离特性--- 即自耦变压，体积和成本会进一步下降，效率更为上升。 互感变压器的磁路是全铁芯磁路，互感变压器力求实现全耦合（k =1）；互容变压器或LC组合变量器中的互感器磁路是气隙铁芯磁路，它的耦合系数k<1。互感变压器对工作频率的依赖性不大；理论上的互容变压器也不依赖工作频率，但实现大功率传输尚有困难。目前在功率传输中采用的互容变压器，其工作受频率制约的关系式为ω2LC=1，是互容变压器得以实现的基本关系。适合作整流变压器用途的互容变压器，其输出端电流是非正弦波例如方波，其输入端电流将仍基本保持为正弦波形；称互容器的电流波形准正弦波/方波变换特性。对电网污染改善有积极作用；符合国家“底炭、环保”的要求。

4　结语

最后，根据网络理论中互感耦合电路的特点和作用，利用对偶原理，阐述了互容及互容网络的新概念，建立互容电路拓朴结构、数学模型以及优化的网络参数。同时，应用互感消除DC/DC变流器输出电流纹波原理，研究在开关变流器中建立互容网络，抑制电磁干扰和消除输出电压纹波，促进电力电子装置性能的完善和应用并为网络理论分析和设计创立一条新的途径。这对提高功率变换装置的总体水平和跟上电力电子技术的最新发展趋势，具有理论价值和市场开发前景。

参考文献（References）:

［1］ Dixon Juan W，Coi Boon Teck.. Indirect current control of a unity power factor sinusoidal current boost type three-phase rectifier ［J］. IEEE Trans.Ind.Electron， 1988， 35（4）:508-515.

［2］ Lioyd Doxon. Average Current Mode Control of Switching Power Supplies［J］.Unitrode Application Note，U-140.

［3］ Fraser M.E.et al.. True Average Current Predictive Controller for Four-wire PWM Reversible Rectifier［J］.IEEE Trans.on Power Appl.， 1997， 144（6）:397-400.

［4］ Qian J，Lee F C，Charge pump power-factor-correction technologies［J］. IEEE Trans. On power Eletronics，2000，15（1）:118-139.

［5］ Qian J，Lee F C. Voltage source charge pump power factor correction AC/DC converter［J］.IEEE Trans. On power Electronics， 1999， 142（2）:350～358.

［6］ Zheren Lai，Keyue M.Smedley and Yunhong Ma，Time Quantity One-Cycle Control for Power Factor Correctors［J］. IEEE Transaction on Power Electronics，1996:821-827.

［7］ K.M.Smedley，Slobodan Cuk，A New PWM Controller with One-cycle Response［J］. IEEE Transaction on Power Electronics，Jan.1999.14（1）:142-150.

【责任编辑：杨立衡】

【信息技术理论研究】

High-performance switching converter based on active floating-charge and one-cycle control technology——Analysis， Design and Circuit Experiment

GAO Chao1， LI Chun2
（1. Journal Editorial Department ， Shenzhen Institute of Information Technology， Shenzhen 518172， China； 2.School of Electronic Communication Techonology， Shenzhen Institute of Information Technology， Shenzhen 518172， China）

Abstract:This paper analyzes and discusses topology of single-phase CCM and DCM Boost-switching converter. Specific to disadvantages of high switching pressure and output voltage of single-phase CCM Boost converter， this paper presents CCM Boost PFC converter with active floating charge landing （FCL）， and expounds its operating priciple and control method. Based on this， and combining control method principle of one-cycle control technology，this paper presents a new type of AC/DC switching converter circuit for power factor correction. This type of onecycle control PFC converter has such advantages as simple structure， high control precision， quick response time， and especially， non-sensitivity of its control perforamce to changes of system and power supply parameters.

Keywords:active floating charge；one cycle control technology； power factor correction； switching converter

中图分类号：TM46

文献标识码：A

文章编号：1672-6332（2016）01-0007-04

［收稿日期］2015-12-21

［作者简介］高潮（1958-），男（汉），四川仁寿县人，博士，教授，主要研究方向：半导体材料和器件及光机电一体化。E-mail：gaoc@sziit.com.cn