10kW高效率三相Buck功率因素校正整流器设计开题报告

1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）

1.1研究目的

近年来，住宅区、商业或办公楼的直流负载的数量和功率需求显著增加。这些负荷包括电动汽车、LED照明、节能空调和通风系统的变速驱动器以及台式计算机、服务器和数据中心等信息和通信技术设备，并且随着这些负荷设备的不断发展，对电能质量的要求也不断提升。而设计一个包含功率因素校正的整流器可将市电的三相交流电转换为直流电，从而满足上述需求。

1.2研究意义

目前，单相PFC技术（PowerFactor Correction，功率因数校正）已经走向成熟，逐步产品化，但是，三相PFC技术如今仍很难满足质量标准。提到三相PFC技术，最为常见的是Boost型的DC/DC拓扑，其主要弊端在于：首先，它的输出电压必须一直高于输入电压，对于许多电子负载而言，该输出电压不能直接使用；其次，由于输出电压与输入电压的压差，导致在低压输入时效率会下降。

Buck型PFC电路可以有效解决上述问题。首先，输出电压较低，后级的电路相对来说更加安全，可靠性和鲁棒性提高；其次，输出电压大范围可调，控制灵活；此外，可以使用参数更好的低压MOSFET，大大提高效率。目前，有关三相Buck型PFC电路的研究相对较少，因此，它值得我们深入研究。

1.3国内外的研究现状分析

最早期，人们进行功率因数校正是通过采用电感和电容构成的无源网络来实现。但是这种技术的电路体积庞大，对输入电流的谐波抑制作用很有限。那时的功率因数校正电路主要是以晶闸管等器件为主的电路。70 年代后期，功率半导体器件的发展日趋成熟，开关变换技术也突飞猛进。到了80年代，现代有源功率因数校正技术开始出现。

进入21世纪后，功率因数校正技术发展非常迅速，尤其是在本世纪的头十年里，罗克韦尔、通用等大公司都相继有相关的产品问世，其中通用公司的变频器在四象限运行方面处于业界领先水平，且在工程实际运用中较为广泛。对于小容量系统而言，一般采用单相APFC（有源功率因数校正）电路;对于大容量系统而言，三相多电平整流电路等高功率因数整流技术应用非常广泛。

从功率因数校正技术的发展形势来看，单相功率因数校正技术的发展较早，适用于低功率场合,且由于其结构和控制比较简单,因此单相功率因数校正技术的研究比较多,其电路拓扑和控制算法方面研究都已经相当成熟。但是现在电网中使用最多和占有比例最高的是三相整流设备，因此三相功率因数校正技术的研究具有非常大的意义，但由于起步较晚，其各方面的研究仍然不成熟。对比单相功率因数校正技术的发展来说，三相PFC整流器的许多概念，从最近的20年才提出和分析。而且很少对其电路拓扑和综合分类有详细的说明，因此三相整流器的基本概念不是很好理解。

三相整流器的拓扑结构主要有Boost PFC，Buck PFC和Buck-Boost PFC等，这与单相整流器也基本一致。而三相PFC的电路拓扑主要有:三相单开关PFC拓扑结构、三相双开关PFC拓扑结构、三相双开关两电平PFC拓扑结构、三相三电平PFC拓扑结构、三相三电平中点箝位拓扑结构、三相六开关PFC拓扑结构、三相软开关PFC拓扑结构等。

近年来，由Lukas Schrittwieser等^[2]提出了隔离式三相矩阵型DAB降压-升压PFC整流器，其在额定工作条件下的超高全功率效率为99.0％，在输入电压降低10％时为98.7％。国内，杨兴武等^[5]提出了基于功率跟踪目标函数定频模型预测控制的三相PWM 整流器，也提高了整流器的性能；韦徵等^[3]提出变革传统单周期控制策略中的调制波波形，将3次谐波注入 PWM 调制（SAPWM）引入到单周期控制策略中，同样提高了系统的效率。

目前，PFC技术的一大应用领域就是新能源汽车，可将其理解为两级拓扑结构，前级为AC-DC变换器，后级为DC-DC变换器。AC-DC变换器是将交流电变成直流电的电力电子装置。而DC-DC变换器是对一种直流电进行处理，变换为另外一种直流电的电力电子变换装置， DC-DC变换器的主要功能是实现电压的转换，获得另一个固定或可调节的直流电压。

当前，在车载DC-DC变换器方面，国内外针对双向DC-DC变换器的研究较多。Monzer Al Sakka等^[11]人设计一台用于燃料电池汽车的30kW大功率双向DC-DC变换器，采用交错并联拓扑结构，与传统拓扑相比，此经结构优化设计的变换器在缩小体积、减轻重量、提高效率等方面成效明显,并能够减小输出电压、电流的纹波值。SangtaekHan等人^[12]介绍了一种用于插入式混合动力电动汽车动力系统中超级电容器充、放电和能量管理的双向DC-DC变换器，为了适应宽输入电压范围，设计采用基于隔离式半桥结构的变换器拓扑，通过对功率器件的开关驱动信号移相控制，实现了在较宽输入电压范围内和较小输出电压纹波条件下，对变换器的双向功率控制。浙江大学边晓光等人^[13]设计了一台5kW双向DC-DC变换器样机，用于超级电容器的能量管理与控制。

3、进度安排

第1-2周，查阅相关文献资料；

第3-4周，撰写开题报告，

2020年3月20日前，上传开题报告；每三周上传一次阶段性成果；

第5-10周根据要求具体设计；

第11-14周撰写论文。

2020年6月1日前，上传论文定稿；

2020年6月12日前论文答辩；

2020年6月20日前，答辩后可再次上传修改版论文。

4、参考文献

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