基于TRIZ理論的單級(jí)功率因數(shù)校正電路拓?fù)浞治?/h1>
2016-05-25 00:37:03王尚寧丘東元
電工電能新技術(shù) 2016年1期
王尚寧， 丘東元， 張 波
(華南理工大學(xué)電力學(xué)院， 廣東 廣州 510640)
基于TRIZ理論的單級(jí)功率因數(shù)校正電路拓?fù)浞治?/p>
王尚寧， 丘東元， 張 波
(華南理工大學(xué)電力學(xué)院， 廣東 廣州 510640)
發(fā)明問題創(chuàng)新理論(TRIZ)作為一種技術(shù)創(chuàng)新的方法論，已在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文嘗試將TRIZ理論與電力電子變換器拓?fù)溲芯肯嘟Y(jié)合，系統(tǒng)地提出一種電力電子變換器拓?fù)涞臉?gòu)造方法。本文以單級(jí)功率因數(shù)校正電路為例，利用TRIZ理論中的沖突矩陣，深入分析了一些典型單級(jí)功率因數(shù)校正電路的拓?fù)錁?gòu)造原理，驗(yàn)證了TRIZ理論指導(dǎo)電力電子變換器拓?fù)湓O(shè)計(jì)的可行性和有效性，從而為構(gòu)造性能更優(yōu)越的功率因數(shù)校正電路提供了思路。
TRIZ； 沖突矩陣； 功率因數(shù)校正
1 引言
隨著能源危機(jī)和全球環(huán)境的持續(xù)惡化，環(huán)保已經(jīng)成為當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展的重要主題。由于電網(wǎng)也可以看作一種環(huán)境，故其同樣面臨著環(huán)保方面的問題。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)，為負(fù)載提供所需的直流或交流電壓，獲得了顯著的效益，但同時(shí)給電網(wǎng)帶來了嚴(yán)重的諧波電流污染。最常用的二極管整流電路如圖1所示，交流電壓通過二極管整流，經(jīng)電容濾波后供負(fù)載或后級(jí)電路使用。由于二極管僅在交流電壓大于輸出電壓的時(shí)段內(nèi)導(dǎo)通，造成了輸入電流畸變，且整流電路的功率因數(shù)低。為此，需要采用功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)，提高電力電子設(shè)備的功率因數(shù)，降低其對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。
圖1 二極管橋式整流電路Fig.1 Diode bridge rectifier circuit
功率因數(shù)校正電路可分為兩級(jí)和單級(jí)兩大類型。兩級(jí)PFC含有兩個(gè)變換器，其中前一級(jí)用于實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，而后一級(jí)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)。單級(jí)PFC則是將兩級(jí)PFC中的前級(jí)電路和后級(jí)電路合二為一，共用一個(gè)開關(guān)管和一套控制電路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入電流整形和輸出電壓調(diào)節(jié)，從而大大減小了器件的數(shù)量，降低了電路的成本。然而，現(xiàn)有的單級(jí)PFC電路或多或少還存在一些不足，如器件應(yīng)力過高、控制復(fù)雜等，故高性能的單級(jí)PFC電路仍是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[1,2]。
發(fā)明問題創(chuàng)新理論(Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ)是前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒在分析了世界上近250萬份高水平發(fā)明專利的基礎(chǔ)上，于1946年提出的一套具有普遍適用性的發(fā)現(xiàn)問題并找到解決辦法的發(fā)明理論。經(jīng)過六十多年的發(fā)展，TRIZ已經(jīng)發(fā)展為一套系統(tǒng)解決各類復(fù)雜問題的方法和工具[3,4]。一直以來，絕大部分電力電子變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是設(shè)計(jì)者憑借自身的經(jīng)驗(yàn)和靈感，并通過反復(fù)試驗(yàn)所得到的，至今尚未形成一套指導(dǎo)電力電子變換器拓?fù)錁?gòu)造的理論方法。因此，TRIZ的出現(xiàn)給電力電子變換器拓?fù)錁?gòu)造帶來一個(gè)很好的啟示。本文以單級(jí)功率因數(shù)校正電路為例，嘗試用TRIZ理論分析該類電路的構(gòu)造方法，以期提出一種構(gòu)造電力電子變換器的系統(tǒng)方法。
2 TRIZ技術(shù)沖突解決原理
2.1 技術(shù)沖突
沖突是TRIZ理論的一個(gè)核心要素，表示隱藏在問題背后的固有矛盾。TRIZ理論認(rèn)為創(chuàng)造性問題的解決至少要解決一對(duì)沖突[5]，而沖突主要分為兩類，一類是技術(shù)沖突，一類是物理沖突。技術(shù)沖突指改進(jìn)系統(tǒng)某一參數(shù)時(shí)，同時(shí)出現(xiàn)的不希望得到的結(jié)果，例如，提高汽車速度時(shí)需要耗費(fèi)的燃料更多，速度和燃料就屬于一個(gè)技術(shù)沖突。物理沖突則是針對(duì)物體的同一個(gè)參數(shù)提出兩種完全相反的要求而產(chǎn)生的矛盾，例如，對(duì)于濾波電容來說，電容值越大濾波效果越好，但大電容往往意味著電容器的體積增大，此類矛盾屬于物理沖突。本文在分析功率因數(shù)校正電路時(shí)，只涉及到技術(shù)沖突。
2.2 沖突矩陣
阿奇舒勒通過研究大量發(fā)明專利，分析、總結(jié)并提煉出了TRIZ理論中最重要的且具有普遍用途的40個(gè)發(fā)明原理，具體見附表1。同時(shí)，阿奇舒勒發(fā)現(xiàn)引起沖突的技術(shù)參數(shù)是有限的，所歸納出的39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)見附表2。他將這39個(gè)技術(shù)參數(shù)構(gòu)成一個(gè)39×39的矩陣，其中列代表沖突中改善的參數(shù)，行代表沖突中惡化的參數(shù)。那么，行列的交叉點(diǎn)就代表一個(gè)技術(shù)沖突，而解決該技術(shù)沖突的發(fā)明原理則用矩陣中的元素表示。矩陣元素或?yàn)榭瞻祝驗(yàn)閿?shù)字，其中數(shù)字代表發(fā)明原理的序號(hào)。完整的技術(shù)沖突矩陣可參見文獻(xiàn)[6]。由此可見，該沖突矩陣將描述技術(shù)沖突的39個(gè)技術(shù)參數(shù)與可用于解決問題的40條發(fā)明原理建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系，很好地解決了設(shè)計(jì)過程中選擇發(fā)明原理的難題。
2.3 解決實(shí)際問題的流程
沖突矩陣是TRIZ理論中實(shí)用率最高的工具。例如，若要設(shè)計(jì)一個(gè)具有省電模式卻不影響照明效果的燈具，那么參考技術(shù)參數(shù)，可知需要改善的參數(shù)為20(靜止物體的能量)，而惡化的參數(shù)為18(光照強(qiáng)度)。參考文獻(xiàn)[6]，可知沖突矩陣中矩陣元素(20, 18)對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理序號(hào)是2、19、32和35，意味著可用于解決該技術(shù)沖突的發(fā)明原理為2-分離、19-周期性作用、32-改變顏色和35-參數(shù)變化。若采用周期性作用原理，可令該燈具間斷性工作，即增加一個(gè)聲電感應(yīng)裝置，就可以得到一個(gè)既具有省電模式又不影響照明效果的燈具[7]。
需要說明的是，實(shí)際遇到的問題并不能直接采用TRIZ發(fā)明原理來解決。因此，首先將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為一般問題，也就是用TRIZ理論中的通用技術(shù)參數(shù)描述實(shí)際的技術(shù)沖突，進(jìn)而構(gòu)建沖突矩陣；其次，在沖突矩陣中找到解決該沖突的發(fā)明原理，這些原理提供了最有可能解決問題的思路；接著，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際工作情況，過濾一些明顯不適用的發(fā)明原理，得出一個(gè)或幾個(gè)發(fā)明原理作為一般解；最后，結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)將發(fā)明原理具體化，從而獲得解決實(shí)際問題的方案，即特定解。上述利用沖突矩陣解決實(shí)際問題的流程如圖2所示。
圖2 沖突矩陣解決實(shí)際問題的流程圖Fig.2 Diagram of conflict matrix to solve practical problems
3 TRIZ沖突矩陣與PFC電路
3.1 PFC電路的技術(shù)參數(shù)
若要利用沖突矩陣改進(jìn)單級(jí)PFC電路的設(shè)計(jì)，按照?qǐng)D2，首先要將PFC電路中的技術(shù)參數(shù)用TRIZ的通用技術(shù)參數(shù)表示。如器件應(yīng)力、有功功率、器件損耗等，可以直接用通用技術(shù)參數(shù)中的“應(yīng)力、功率、能量損耗”等來描述；對(duì)于諧波含量，則可以用通用技術(shù)參數(shù)中的“物體產(chǎn)生的有害因素”來表示。經(jīng)分析，用于描述單級(jí)PFC電路性能的常用技術(shù)參數(shù)共有8個(gè)，所對(duì)應(yīng)的TRIZ通用技術(shù)參數(shù)見表1。由此可以構(gòu)造出一個(gè)適用于單級(jí)PFC電路的8×8沖突矩陣，具體見表2。
表1 PFC電路的技術(shù)參數(shù)
表2 PFC電路的沖突矩陣
3.2 PFC電路的改進(jìn)過程
根據(jù)圖2，在獲得PFC電路的沖突矩陣后，需要確定電路的改造目標(biāo)，即確定哪些技術(shù)參數(shù)需要改善，哪些技術(shù)參數(shù)可能惡化，才能在沖突矩陣中查找到解決該類沖突的發(fā)明原理。然后結(jié)合實(shí)際情況對(duì)PFC電路提出具體的改造方案，最后對(duì)新拓?fù)溥M(jìn)行性能分析以及仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。若電路性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，那么所提出的改造方案可行；若未達(dá)到要求，則重新選擇發(fā)明原理，設(shè)計(jì)改造方案，直到問題解決。
下面以一些典型的單級(jí)PFC電路為例，結(jié)合PFC電路的沖突矩陣，分析單級(jí)PFC電路的改進(jìn)過程。
4 單級(jí)PFC電路的拓?fù)錁?gòu)造原理
4.1 無源PFC電路
PFC電路的基本形式是無源PFC電路，即采用無源元件構(gòu)成的功率因數(shù)校正網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于圖1所示的二極管橋式整流電路，如果采用無源PFC電路，那么欲改善的技術(shù)參數(shù)包括有功功率、諧波含量和電路的可靠性，但隨之惡化的技術(shù)參數(shù)為器件損耗和電路的復(fù)雜性。參考表2，得到解決上述技術(shù)沖突的發(fā)明原理包括1-分割、11-預(yù)補(bǔ)償、13-反向、19-周期性作用、20-有效作用的連續(xù)性、34-拋棄與修復(fù)、35-參數(shù)變化等。
若利用11-預(yù)補(bǔ)償原理，可以在圖1的二極管整流橋和濾波電容之間插入電感元件，如圖3所示。利用電感抑制電流變化的特性，使輸入電流變化平緩，由此提高功率因數(shù)。該基本無源PFC電路的優(yōu)點(diǎn)是拓?fù)浜?jiǎn)單、無開關(guān)損耗、成本低、無需控制，但諧波含量仍然比較大，功率因數(shù)也不夠高，且電感的體積較大。
圖3 基本無源PFC電路Fig.3 Passive PFC circuit
若利用13-反向性原理，把電感放到整流橋之前，得到圖4所示的電路[8]。與圖3相比，該電路的電感電流不含直流分量，避免了電感磁心的飽和，從而提高了拓?fù)涞目煽啃浴?/p>
圖4 改進(jìn)無源PFC電路Fig.4 Modified passive PFC circuit
利用20-有效作用的連續(xù)性原理，通過增加二極管的導(dǎo)通時(shí)間，也可以提高功率因數(shù)。若無源校正網(wǎng)絡(luò)不采用電感元件，可將圖1的濾波電容C改為由三個(gè)二極管和兩個(gè)電容(C1、C2)組成的填谷式網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示[8]。此時(shí)，只要輸入電壓的絕對(duì)值大于輸出電壓的一半，二極管就能導(dǎo)通，從而在不需要電感元件的情況下，提高功率因數(shù)。
圖5 填谷式PFC電路Fig.5 Valley type PFC circuit
由于圖5所示的填谷式電路輸出電壓紋波較大，故可嘗試?yán)?4-拋棄與修復(fù)原理，對(duì)圖5中的填谷網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行局部改進(jìn)。為了減小電容電壓紋波，可以設(shè)法延緩電容充電和放電過程，即電容C1、C2分別串接一個(gè)電阻R1、R2，如圖6所示[9]。經(jīng)測(cè)試，此電路的功率因數(shù)比圖5所示電路提高1～2個(gè)百分點(diǎn)。
圖6 改進(jìn)型填谷式PFC電路Fig.6 Modified valley type PFC circuit
4.2 有源PFC電路
有源功率因數(shù)校正技術(shù)是一種強(qiáng)迫輸入電流跟隨輸入電壓，使輸入電流正弦化，且與輸入電壓保持同相位的一種技術(shù)。在中小功率場(chǎng)合，圖7所示的Boost PFC電路是目前廣泛使用的一種有源功率因數(shù)校正電路。由于有源PFC電路含有控制電路，故欲改善的技術(shù)參數(shù)包括功率因數(shù)、諧波含量、器件損耗、動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及拓?fù)涞目煽啃?，而隨之惡化的技術(shù)參數(shù)則是器件應(yīng)力、控制復(fù)雜度以及電路的復(fù)雜性。參考表2，得到解決上述技術(shù)沖突的發(fā)明原理為1-分割、5-合并、10-預(yù)操性、13-反向性、19-周期性作用、20-有效作用的連續(xù)性和35-參數(shù)變化等。
圖7 傳統(tǒng)Boost PFC 電路Fig.7 Traditional Boost PFC circuit
為了降低開關(guān)損耗，可利用19-周期性作用原理，用兩個(gè)開關(guān)管S1和S2分別代替了圖7整流橋中的兩個(gè)二極管，得到的電路如圖8所示，此電路被稱為無橋PFC電路[10]。由于省略了整流橋，在電源電壓每半個(gè)周期內(nèi)，只有兩個(gè)開關(guān)器件處于工作狀態(tài)，比傳統(tǒng)的Boost PFC電路少了一個(gè)二極管，通態(tài)損耗低，提高了效率。
圖8 無橋Boost PFC電路Fig.8 Bridgeless Boost PFC circuit
由于圖8中電感直接與交流側(cè)相連，對(duì)于高頻信號(hào)來講，電感相當(dāng)于開路，PFC的輸出與輸入電源隔離而處于懸浮狀態(tài)，因此電路的EMI問題比較嚴(yán)重，利用反向性原理把S2和D1互換位置，可得到新的無橋PFC拓?fù)?，如圖9所示[11]。分析電路可以發(fā)現(xiàn)，在輸入電壓正負(fù)半周期內(nèi)，同樣只有兩個(gè)半導(dǎo)體器件處于工作狀態(tài)，通態(tài)損耗低，且由于輸入電源通過二極管D1和D2與輸出端建立了聯(lián)系，輸出始終跟交流側(cè)一端通過一個(gè)導(dǎo)通二極管相連，因此PFC輸出不再處于浮動(dòng)狀態(tài)，共模干擾小。但在電感電流采樣方面，此電路需要復(fù)雜的檢測(cè)電路，同時(shí)兩個(gè)開關(guān)管需要隔離驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路較為復(fù)雜。但由于該電路具有拓?fù)浜?jiǎn)單、器件利用率高、電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)，在中低功率場(chǎng)合有較好的應(yīng)用前景。
圖9 改進(jìn)無橋Boost PFC電路Fig.9 Modified bridgeless Boost PFC circuit
針對(duì)圖9電路驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜的問題，利用20-有效作用的連續(xù)性原理，借助二極管的續(xù)流作用，在圖8中增加兩個(gè)陽極共地的二極管D3和D4，而二極管的陰極分別與交流電源直接相連，如圖10所示[12]。這樣使輸出端與電源建立了聯(lián)系，同樣減少了共模干擾。由于該電路的開關(guān)管S1和S2源極共地，所以可以共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，通態(tài)損耗小。顯然，該電路結(jié)合了圖8和圖9各自的優(yōu)點(diǎn)。
圖10 雙二極管式無橋PFC電路Fig.10 Double diode bridgeless Boost PFC circuit
傳統(tǒng)Boost PFC主要用于輸出電壓高于輸入電壓的場(chǎng)合，當(dāng)高電壓輸入時(shí)，往往需要具有升降壓功能的Buck-Boost PFC。利用5-合并性這一發(fā)明原理，將傳統(tǒng)的Buck與Boost前后合并起來，得到的電路如圖11所示[13]。其中L既是Buck的輸出電感也是Boost的輸入電感，通過適當(dāng)?shù)姆椒梢蕴峁┮粋€(gè)直接從輸入到輸出的路徑，有效解決了傳統(tǒng)的Buck-Boost PFC器件應(yīng)力高的問題。但需對(duì)該電路的兩個(gè)開關(guān)管施加獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使電路工作在兩種狀態(tài)，因此控制較為復(fù)雜。
圖11 級(jí)聯(lián)式Buck-Boost PFC電路Fig.11 Cascading Buck-Boost PFC circuit
針對(duì)傳統(tǒng)的Boost PFC電路器件應(yīng)力高的問題，利用1-分割原理，可用兩個(gè)Boost電路代替一個(gè)Boost電路完成相關(guān)功能，得到的電路被稱為交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路，如圖12所示[14]。此電路的兩個(gè)開關(guān)管占空比相同，交錯(cuò)工作，不僅可以降低器件的電流應(yīng)力，還能有效降低輸入電流紋波。
圖12 交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路Fig.12 Interleaved parallel Boost PFC circuit
綜上分析可見，大部分單級(jí)PFC電路的拓?fù)錁?gòu)造思路都能通過分析技術(shù)沖突、根據(jù)發(fā)明原理而得到，由此證明了利用TRIZ沖突矩陣指導(dǎo)電力電子變換器拓?fù)湓O(shè)計(jì)的可行性。
5 結(jié)論
本文首次將TRIZ理論中的沖突矩陣應(yīng)用于指導(dǎo)電力電子變換器的拓?fù)錁?gòu)造，并以一些典型的無源PFC電路和有源PFC電路為例，驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。初步研究成果表明，該方法與傳統(tǒng)的依賴于設(shè)計(jì)者靈感和自身經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法不同，是一種具有系統(tǒng)性和理論性的拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法，有助于促進(jìn)電力電子變換器拓?fù)涞陌l(fā)明與改進(jìn)。
附錄：
附表1 TRIZ的發(fā)明原理
附表2 TRIZ的通用技術(shù)參數(shù)
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Topology analysis of single-stage power factor corrector based on TRIZ
WANG Shang-ning, QIU Dong-yuan, ZHANG Bo
(School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)
As a methodology of technology innovation, TRIZ has been widely used in many fields. This paper attempts to combine TRIZ theory with power electronic converter topology research, and proposes a topology construction method for power converters systematically. Single-stage power factor corrector is used as an example in this paper, and some typical PFC circuits have been analyzed thoroughly by applying the conflict matrix in TRIZ, which proves the feasibility and effectiveness of the proposed method, and provides a guideline for designing the power factor corrector with better performance.
TRIZ; contradiction matrix; power factor correction (PFC)
2015-01-17
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51277079)
王尚寧(1987-)， 男， 回族， 青海籍， 碩士研究生， 主要從事TRIZ理論在電力電子技術(shù)中的應(yīng)用； 丘東元(1972-)， 女， 廣東籍， 教授， 主要從事電力電子技術(shù)研究。
TM46
A
1003-3076(2016)01-0060-07
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王尚寧， 丘東元， 張 波
(華南理工大學(xué)電力學(xué)院， 廣東 廣州 510640)
基于TRIZ理論的單級(jí)功率因數(shù)校正電路拓?fù)浞治?/p>
王尚寧， 丘東元， 張 波
(華南理工大學(xué)電力學(xué)院， 廣東 廣州 510640)
發(fā)明問題創(chuàng)新理論(TRIZ)作為一種技術(shù)創(chuàng)新的方法論，已在諸多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文嘗試將TRIZ理論與電力電子變換器拓?fù)溲芯肯嘟Y(jié)合，系統(tǒng)地提出一種電力電子變換器拓?fù)涞臉?gòu)造方法。本文以單級(jí)功率因數(shù)校正電路為例，利用TRIZ理論中的沖突矩陣，深入分析了一些典型單級(jí)功率因數(shù)校正電路的拓?fù)錁?gòu)造原理，驗(yàn)證了TRIZ理論指導(dǎo)電力電子變換器拓?fù)湓O(shè)計(jì)的可行性和有效性，從而為構(gòu)造性能更優(yōu)越的功率因數(shù)校正電路提供了思路。
TRIZ； 沖突矩陣； 功率因數(shù)校正
1 引言
隨著能源危機(jī)和全球環(huán)境的持續(xù)惡化，環(huán)保已經(jīng)成為當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展的重要主題。由于電網(wǎng)也可以看作一種環(huán)境，故其同樣面臨著環(huán)保方面的問題。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的電力電子設(shè)備接入電網(wǎng)，為負(fù)載提供所需的直流或交流電壓，獲得了顯著的效益，但同時(shí)給電網(wǎng)帶來了嚴(yán)重的諧波電流污染。最常用的二極管整流電路如圖1所示，交流電壓通過二極管整流，經(jīng)電容濾波后供負(fù)載或后級(jí)電路使用。由于二極管僅在交流電壓大于輸出電壓的時(shí)段內(nèi)導(dǎo)通，造成了輸入電流畸變，且整流電路的功率因數(shù)低。為此，需要采用功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)，提高電力電子設(shè)備的功率因數(shù)，降低其對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。
圖1 二極管橋式整流電路Fig.1 Diode bridge rectifier circuit
功率因數(shù)校正電路可分為兩級(jí)和單級(jí)兩大類型。兩級(jí)PFC含有兩個(gè)變換器，其中前一級(jí)用于實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，而后一級(jí)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)。單級(jí)PFC則是將兩級(jí)PFC中的前級(jí)電路和后級(jí)電路合二為一，共用一個(gè)開關(guān)管和一套控制電路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)輸入電流整形和輸出電壓調(diào)節(jié)，從而大大減小了器件的數(shù)量，降低了電路的成本。然而，現(xiàn)有的單級(jí)PFC電路或多或少還存在一些不足，如器件應(yīng)力過高、控制復(fù)雜等，故高性能的單級(jí)PFC電路仍是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[1,2]。
發(fā)明問題創(chuàng)新理論(Teoriya Resheniya Izobreatatelskikh Zadatch，TRIZ)是前蘇聯(lián)發(fā)明家阿奇舒勒在分析了世界上近250萬份高水平發(fā)明專利的基礎(chǔ)上，于1946年提出的一套具有普遍適用性的發(fā)現(xiàn)問題并找到解決辦法的發(fā)明理論。經(jīng)過六十多年的發(fā)展，TRIZ已經(jīng)發(fā)展為一套系統(tǒng)解決各類復(fù)雜問題的方法和工具[3,4]。一直以來，絕大部分電力電子變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都是設(shè)計(jì)者憑借自身的經(jīng)驗(yàn)和靈感，并通過反復(fù)試驗(yàn)所得到的，至今尚未形成一套指導(dǎo)電力電子變換器拓?fù)錁?gòu)造的理論方法。因此，TRIZ的出現(xiàn)給電力電子變換器拓?fù)錁?gòu)造帶來一個(gè)很好的啟示。本文以單級(jí)功率因數(shù)校正電路為例，嘗試用TRIZ理論分析該類電路的構(gòu)造方法，以期提出一種構(gòu)造電力電子變換器的系統(tǒng)方法。
2 TRIZ技術(shù)沖突解決原理
2.1 技術(shù)沖突
沖突是TRIZ理論的一個(gè)核心要素，表示隱藏在問題背后的固有矛盾。TRIZ理論認(rèn)為創(chuàng)造性問題的解決至少要解決一對(duì)沖突[5]，而沖突主要分為兩類，一類是技術(shù)沖突，一類是物理沖突。技術(shù)沖突指改進(jìn)系統(tǒng)某一參數(shù)時(shí)，同時(shí)出現(xiàn)的不希望得到的結(jié)果，例如，提高汽車速度時(shí)需要耗費(fèi)的燃料更多，速度和燃料就屬于一個(gè)技術(shù)沖突。物理沖突則是針對(duì)物體的同一個(gè)參數(shù)提出兩種完全相反的要求而產(chǎn)生的矛盾，例如，對(duì)于濾波電容來說，電容值越大濾波效果越好，但大電容往往意味著電容器的體積增大，此類矛盾屬于物理沖突。本文在分析功率因數(shù)校正電路時(shí)，只涉及到技術(shù)沖突。
2.2 沖突矩陣
阿奇舒勒通過研究大量發(fā)明專利，分析、總結(jié)并提煉出了TRIZ理論中最重要的且具有普遍用途的40個(gè)發(fā)明原理，具體見附表1。同時(shí)，阿奇舒勒發(fā)現(xiàn)引起沖突的技術(shù)參數(shù)是有限的，所歸納出的39個(gè)通用技術(shù)參數(shù)見附表2。他將這39個(gè)技術(shù)參數(shù)構(gòu)成一個(gè)39×39的矩陣，其中列代表沖突中改善的參數(shù)，行代表沖突中惡化的參數(shù)。那么，行列的交叉點(diǎn)就代表一個(gè)技術(shù)沖突，而解決該技術(shù)沖突的發(fā)明原理則用矩陣中的元素表示。矩陣元素或?yàn)榭瞻祝驗(yàn)閿?shù)字，其中數(shù)字代表發(fā)明原理的序號(hào)。完整的技術(shù)沖突矩陣可參見文獻(xiàn)[6]。由此可見，該沖突矩陣將描述技術(shù)沖突的39個(gè)技術(shù)參數(shù)與可用于解決問題的40條發(fā)明原理建立了對(duì)應(yīng)關(guān)系，很好地解決了設(shè)計(jì)過程中選擇發(fā)明原理的難題。
2.3 解決實(shí)際問題的流程
沖突矩陣是TRIZ理論中實(shí)用率最高的工具。例如，若要設(shè)計(jì)一個(gè)具有省電模式卻不影響照明效果的燈具，那么參考技術(shù)參數(shù)，可知需要改善的參數(shù)為20(靜止物體的能量)，而惡化的參數(shù)為18(光照強(qiáng)度)。參考文獻(xiàn)[6]，可知沖突矩陣中矩陣元素(20, 18)對(duì)應(yīng)的發(fā)明原理序號(hào)是2、19、32和35，意味著可用于解決該技術(shù)沖突的發(fā)明原理為2-分離、19-周期性作用、32-改變顏色和35-參數(shù)變化。若采用周期性作用原理，可令該燈具間斷性工作，即增加一個(gè)聲電感應(yīng)裝置，就可以得到一個(gè)既具有省電模式又不影響照明效果的燈具[7]。
需要說明的是，實(shí)際遇到的問題并不能直接采用TRIZ發(fā)明原理來解決。因此，首先將實(shí)際問題轉(zhuǎn)化為一般問題，也就是用TRIZ理論中的通用技術(shù)參數(shù)描述實(shí)際的技術(shù)沖突，進(jìn)而構(gòu)建沖突矩陣；其次，在沖突矩陣中找到解決該沖突的發(fā)明原理，這些原理提供了最有可能解決問題的思路；接著，根據(jù)系統(tǒng)的實(shí)際工作情況，過濾一些明顯不適用的發(fā)明原理，得出一個(gè)或幾個(gè)發(fā)明原理作為一般解；最后，結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)知識(shí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)將發(fā)明原理具體化，從而獲得解決實(shí)際問題的方案，即特定解。上述利用沖突矩陣解決實(shí)際問題的流程如圖2所示。
圖2 沖突矩陣解決實(shí)際問題的流程圖Fig.2 Diagram of conflict matrix to solve practical problems
3 TRIZ沖突矩陣與PFC電路
3.1 PFC電路的技術(shù)參數(shù)
若要利用沖突矩陣改進(jìn)單級(jí)PFC電路的設(shè)計(jì)，按照?qǐng)D2，首先要將PFC電路中的技術(shù)參數(shù)用TRIZ的通用技術(shù)參數(shù)表示。如器件應(yīng)力、有功功率、器件損耗等，可以直接用通用技術(shù)參數(shù)中的“應(yīng)力、功率、能量損耗”等來描述；對(duì)于諧波含量，則可以用通用技術(shù)參數(shù)中的“物體產(chǎn)生的有害因素”來表示。經(jīng)分析，用于描述單級(jí)PFC電路性能的常用技術(shù)參數(shù)共有8個(gè)，所對(duì)應(yīng)的TRIZ通用技術(shù)參數(shù)見表1。由此可以構(gòu)造出一個(gè)適用于單級(jí)PFC電路的8×8沖突矩陣，具體見表2。
表1 PFC電路的技術(shù)參數(shù)
表2 PFC電路的沖突矩陣
3.2 PFC電路的改進(jìn)過程
根據(jù)圖2，在獲得PFC電路的沖突矩陣后，需要確定電路的改造目標(biāo)，即確定哪些技術(shù)參數(shù)需要改善，哪些技術(shù)參數(shù)可能惡化，才能在沖突矩陣中查找到解決該類沖突的發(fā)明原理。然后結(jié)合實(shí)際情況對(duì)PFC電路提出具體的改造方案，最后對(duì)新拓?fù)溥M(jìn)行性能分析以及仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。若電路性能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，那么所提出的改造方案可行；若未達(dá)到要求，則重新選擇發(fā)明原理，設(shè)計(jì)改造方案，直到問題解決。
下面以一些典型的單級(jí)PFC電路為例，結(jié)合PFC電路的沖突矩陣，分析單級(jí)PFC電路的改進(jìn)過程。
4 單級(jí)PFC電路的拓?fù)錁?gòu)造原理
4.1 無源PFC電路
PFC電路的基本形式是無源PFC電路，即采用無源元件構(gòu)成的功率因數(shù)校正網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于圖1所示的二極管橋式整流電路，如果采用無源PFC電路，那么欲改善的技術(shù)參數(shù)包括有功功率、諧波含量和電路的可靠性，但隨之惡化的技術(shù)參數(shù)為器件損耗和電路的復(fù)雜性。參考表2，得到解決上述技術(shù)沖突的發(fā)明原理包括1-分割、11-預(yù)補(bǔ)償、13-反向、19-周期性作用、20-有效作用的連續(xù)性、34-拋棄與修復(fù)、35-參數(shù)變化等。
若利用11-預(yù)補(bǔ)償原理，可以在圖1的二極管整流橋和濾波電容之間插入電感元件，如圖3所示。利用電感抑制電流變化的特性，使輸入電流變化平緩，由此提高功率因數(shù)。該基本無源PFC電路的優(yōu)點(diǎn)是拓?fù)浜?jiǎn)單、無開關(guān)損耗、成本低、無需控制，但諧波含量仍然比較大，功率因數(shù)也不夠高，且電感的體積較大。
圖3 基本無源PFC電路Fig.3 Passive PFC circuit
若利用13-反向性原理，把電感放到整流橋之前，得到圖4所示的電路[8]。與圖3相比，該電路的電感電流不含直流分量，避免了電感磁心的飽和，從而提高了拓?fù)涞目煽啃浴?/p>
圖4 改進(jìn)無源PFC電路Fig.4 Modified passive PFC circuit
利用20-有效作用的連續(xù)性原理，通過增加二極管的導(dǎo)通時(shí)間，也可以提高功率因數(shù)。若無源校正網(wǎng)絡(luò)不采用電感元件，可將圖1的濾波電容C改為由三個(gè)二極管和兩個(gè)電容(C1、C2)組成的填谷式網(wǎng)絡(luò)，如圖5所示[8]。此時(shí)，只要輸入電壓的絕對(duì)值大于輸出電壓的一半，二極管就能導(dǎo)通，從而在不需要電感元件的情況下，提高功率因數(shù)。
圖5 填谷式PFC電路Fig.5 Valley type PFC circuit
由于圖5所示的填谷式電路輸出電壓紋波較大，故可嘗試?yán)?4-拋棄與修復(fù)原理，對(duì)圖5中的填谷網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行局部改進(jìn)。為了減小電容電壓紋波，可以設(shè)法延緩電容充電和放電過程，即電容C1、C2分別串接一個(gè)電阻R1、R2，如圖6所示[9]。經(jīng)測(cè)試，此電路的功率因數(shù)比圖5所示電路提高1～2個(gè)百分點(diǎn)。
圖6 改進(jìn)型填谷式PFC電路Fig.6 Modified valley type PFC circuit
4.2 有源PFC電路
有源功率因數(shù)校正技術(shù)是一種強(qiáng)迫輸入電流跟隨輸入電壓，使輸入電流正弦化，且與輸入電壓保持同相位的一種技術(shù)。在中小功率場(chǎng)合，圖7所示的Boost PFC電路是目前廣泛使用的一種有源功率因數(shù)校正電路。由于有源PFC電路含有控制電路，故欲改善的技術(shù)參數(shù)包括功率因數(shù)、諧波含量、器件損耗、動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及拓?fù)涞目煽啃?，而隨之惡化的技術(shù)參數(shù)則是器件應(yīng)力、控制復(fù)雜度以及電路的復(fù)雜性。參考表2，得到解決上述技術(shù)沖突的發(fā)明原理為1-分割、5-合并、10-預(yù)操性、13-反向性、19-周期性作用、20-有效作用的連續(xù)性和35-參數(shù)變化等。
圖7 傳統(tǒng)Boost PFC 電路Fig.7 Traditional Boost PFC circuit
為了降低開關(guān)損耗，可利用19-周期性作用原理，用兩個(gè)開關(guān)管S1和S2分別代替了圖7整流橋中的兩個(gè)二極管，得到的電路如圖8所示，此電路被稱為無橋PFC電路[10]。由于省略了整流橋，在電源電壓每半個(gè)周期內(nèi)，只有兩個(gè)開關(guān)器件處于工作狀態(tài)，比傳統(tǒng)的Boost PFC電路少了一個(gè)二極管，通態(tài)損耗低，提高了效率。
圖8 無橋Boost PFC電路Fig.8 Bridgeless Boost PFC circuit
由于圖8中電感直接與交流側(cè)相連，對(duì)于高頻信號(hào)來講，電感相當(dāng)于開路，PFC的輸出與輸入電源隔離而處于懸浮狀態(tài)，因此電路的EMI問題比較嚴(yán)重，利用反向性原理把S2和D1互換位置，可得到新的無橋PFC拓?fù)?，如圖9所示[11]。分析電路可以發(fā)現(xiàn)，在輸入電壓正負(fù)半周期內(nèi)，同樣只有兩個(gè)半導(dǎo)體器件處于工作狀態(tài)，通態(tài)損耗低，且由于輸入電源通過二極管D1和D2與輸出端建立了聯(lián)系，輸出始終跟交流側(cè)一端通過一個(gè)導(dǎo)通二極管相連，因此PFC輸出不再處于浮動(dòng)狀態(tài)，共模干擾小。但在電感電流采樣方面，此電路需要復(fù)雜的檢測(cè)電路，同時(shí)兩個(gè)開關(guān)管需要隔離驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電路較為復(fù)雜。但由于該電路具有拓?fù)浜?jiǎn)單、器件利用率高、電磁干擾小等優(yōu)點(diǎn)，在中低功率場(chǎng)合有較好的應(yīng)用前景。
圖9 改進(jìn)無橋Boost PFC電路Fig.9 Modified bridgeless Boost PFC circuit
針對(duì)圖9電路驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜的問題，利用20-有效作用的連續(xù)性原理，借助二極管的續(xù)流作用，在圖8中增加兩個(gè)陽極共地的二極管D3和D4，而二極管的陰極分別與交流電源直接相連，如圖10所示[12]。這樣使輸出端與電源建立了聯(lián)系，同樣減少了共模干擾。由于該電路的開關(guān)管S1和S2源極共地，所以可以共用一個(gè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，通態(tài)損耗小。顯然，該電路結(jié)合了圖8和圖9各自的優(yōu)點(diǎn)。
圖10 雙二極管式無橋PFC電路Fig.10 Double diode bridgeless Boost PFC circuit
傳統(tǒng)Boost PFC主要用于輸出電壓高于輸入電壓的場(chǎng)合，當(dāng)高電壓輸入時(shí)，往往需要具有升降壓功能的Buck-Boost PFC。利用5-合并性這一發(fā)明原理，將傳統(tǒng)的Buck與Boost前后合并起來，得到的電路如圖11所示[13]。其中L既是Buck的輸出電感也是Boost的輸入電感，通過適當(dāng)?shù)姆椒梢蕴峁┮粋€(gè)直接從輸入到輸出的路徑，有效解決了傳統(tǒng)的Buck-Boost PFC器件應(yīng)力高的問題。但需對(duì)該電路的兩個(gè)開關(guān)管施加獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，使電路工作在兩種狀態(tài)，因此控制較為復(fù)雜。
圖11 級(jí)聯(lián)式Buck-Boost PFC電路Fig.11 Cascading Buck-Boost PFC circuit
針對(duì)傳統(tǒng)的Boost PFC電路器件應(yīng)力高的問題，利用1-分割原理，可用兩個(gè)Boost電路代替一個(gè)Boost電路完成相關(guān)功能，得到的電路被稱為交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路，如圖12所示[14]。此電路的兩個(gè)開關(guān)管占空比相同，交錯(cuò)工作，不僅可以降低器件的電流應(yīng)力，還能有效降低輸入電流紋波。
圖12 交錯(cuò)并聯(lián)Boost PFC電路Fig.12 Interleaved parallel Boost PFC circuit
綜上分析可見，大部分單級(jí)PFC電路的拓?fù)錁?gòu)造思路都能通過分析技術(shù)沖突、根據(jù)發(fā)明原理而得到，由此證明了利用TRIZ沖突矩陣指導(dǎo)電力電子變換器拓?fù)湓O(shè)計(jì)的可行性。
5 結(jié)論
本文首次將TRIZ理論中的沖突矩陣應(yīng)用于指導(dǎo)電力電子變換器的拓?fù)錁?gòu)造，并以一些典型的無源PFC電路和有源PFC電路為例，驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。初步研究成果表明，該方法與傳統(tǒng)的依賴于設(shè)計(jì)者靈感和自身經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)方法不同，是一種具有系統(tǒng)性和理論性的拓?fù)湓O(shè)計(jì)方法，有助于促進(jìn)電力電子變換器拓?fù)涞陌l(fā)明與改進(jìn)。
附錄：
附表1 TRIZ的發(fā)明原理
附表2 TRIZ的通用技術(shù)參數(shù)
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WANG Shang-ning, QIU Dong-yuan, ZHANG Bo
(School of Electric Power, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)
As a methodology of technology innovation, TRIZ has been widely used in many fields. This paper attempts to combine TRIZ theory with power electronic converter topology research, and proposes a topology construction method for power converters systematically. Single-stage power factor corrector is used as an example in this paper, and some typical PFC circuits have been analyzed thoroughly by applying the conflict matrix in TRIZ, which proves the feasibility and effectiveness of the proposed method, and provides a guideline for designing the power factor corrector with better performance.
TRIZ; contradiction matrix; power factor correction (PFC)
2015-01-17
國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (51277079)
王尚寧(1987-)， 男， 回族， 青海籍， 碩士研究生， 主要從事TRIZ理論在電力電子技術(shù)中的應(yīng)用； 丘東元(1972-)， 女， 廣東籍， 教授， 主要從事電力電子技術(shù)研究。
TM46
A
1003-3076(2016)01-0060-07
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