基于單周期控制的單相APFC研究

摘要 單周期控制以其結構簡(jiǎn)單、系統可靠穩定、功率因數高而得到推廣，文中分析現階段典型的PFC電路存在的缺陷，闡述了單周期控制的優(yōu)勢和單周期單相PFC的工作原理，并建立了相應的仿真模型，給出了對比仿真結果。結果表明，單周期控制的Boost PFC功率因數更高，諧波失真小。

近年來(lái)，隨著(zhù)電子電子器件的廣泛運用，諧波污染問(wèn)題受到了廣泛的關(guān)注。有源功率因數校正技術(shù)作為解決諧波污染的新技術(shù)，成為電力電子學(xué)科的重要研究方向。作為現在研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一，APFC的控制器備受矚目?，F階段各種形式的PFC電路主要用于開(kāi)關(guān)電源，在眾多控制策略中，以擁有模擬乘法器的控制IC為主流，這種PFC電路在功率因數上能達到所需的要求，對任何開(kāi)關(guān)器件都適用，應用廣泛。但這類(lèi)PFC電路中由于電流調制信號iref一般由式(1)決定

由(1)式中可看出，調制信號需要使用乘法器，這樣使得控制電路比較復雜、控制精度較低，且現階段的研究表明模擬乘法器采樣的網(wǎng)側電壓信號的波動(dòng)，會(huì )對功率因數校正效果產(chǎn)生影響，導致功率因數偏低。

為此本文提出了一種新型的PFC控制技術(shù)，單周期控制技術(shù)。單周期控制技術(shù)是20世紀90年代Keyue M Semdley提出的一種非線(xiàn)性控制技術(shù)，與典型的控制方法相比，無(wú)需使用乘法器、采集網(wǎng)側電壓，控制簡(jiǎn)單且穩定可靠，在此基礎上搭建了單周期控制的單相 Boost PFC仿真模型并進(jìn)行了對比分析。

1 單周期原理

單周期控制的核心思想是在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內使得受控量的平均值嚴格等于參考量。單周期的控制原理可簡(jiǎn)化為如圖1所示，x(t)為輸入;k(t)為開(kāi)關(guān)信號;y(t)為輸出。在開(kāi)關(guān)周期中滿(mǎn)足y(t)=k(t)×x(t);在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內開(kāi)關(guān)頻率遠大于工頻，可認為x(t)在一個(gè)周期內是不變的。 y(t)在經(jīng)過(guò)復位積分后得到輸出Vint。

根據原理圖可得出

當Vint的值等于給定值Vref時(shí)，比較器將信號給RS觸發(fā)器，信號將關(guān)閉開(kāi)關(guān)k(t)，將式(2)積分常數RC設置為開(kāi)關(guān)周期，同時(shí)開(kāi)通積分器的復位開(kāi)關(guān)，積分器快速復位。這樣強迫Vint一個(gè)開(kāi)關(guān)周期嚴格等于Vref，得出

由式(4)可知，y(t)的平均值在一個(gè)周期嚴格內等于參考給定值Vref，即單周期控制思想，這樣單周期可推廣到其他形式的變換器。

2 單周期控制單相Boost的PFC工作過(guò)程

功率因數校正的最終目的是輸入電流與電壓同相位的正弦波，對于圖2中就是使輸入電流ig與輸入電壓Vg同相位成線(xiàn)性關(guān)系。單相Boost PFC工作在電感電流連續的CCM模式下的條件可以得出Boost PFC的控制目標為Vg=Re×ig，由Boost電路可知V0(1-D)=Vg，所以Rex ig=V0(1-D)。假設Rs為輸入電流的采樣電阻等式兩邊同乘以Rs

ig×Re×Rs=V0(1-D)×Rs (5)

式(5)等于ig×Rs=Vm(1-D)，其中，。上式為單相Boost基于單周期控制PFC的控制方程?；诳刂品匠痰贸鰣D2控制原理圖。

在每個(gè)脈沖周期開(kāi)始，開(kāi)關(guān)管S被觸發(fā)導通，電感電流ig逐漸上升，此時(shí)輸出值V0與參考值Vref比較后，經(jīng)過(guò)電壓誤差放大器調節后得到Vm，Vm通過(guò)帶有復位的積分器輸出為DVm，在加法器的作用下得出載波信號Vm-DVm，在ig×Rs=V-DV時(shí)，比較器翻轉，觸發(fā)器觸發(fā)開(kāi)關(guān)管S關(guān)斷，同時(shí)觸發(fā)復位積分器的開(kāi)關(guān)導通。這樣在每一個(gè)周期都使得電流跟隨(1-D)且滿(mǎn)足式(5)，實(shí)現PFC的功能并且能在一個(gè)周期內完成校正。

3 建模與仿真

由以上得到的控制方程，轉化為控制框圖后建立Matlab中Simulink下的控制模型。下面給出了典型的擁有乘法器電流控制的仿真模型和整體Boost PFC仿真模型和單周期的控制仿真模型分別如圖3和圖4所示，并將兩種PFC電路仿真結果進(jìn)行對比。圖3中帶乘法器的PFC通過(guò)輸出電壓的采樣經(jīng)誤差放大器后，與采樣的Vd一并送入乘法器作為電流調節的載波。電流內環(huán)通過(guò)調節形成PWM信號控制開(kāi)關(guān)。

對以上的仿真模型進(jìn)行參數設置，交流電源為110 V/50 Hz，開(kāi)關(guān)管的頻率為20 kHz，整流后的升壓電感L設置為2 mH，輸出電壓U0為265 V，負載電阻R為500 Ω，輸出濾波電容C為0.47 mF，采樣電阻Rs為0.2 Ω，圖5給出兩種PFC電路的輸入電壓、電流和輸出電壓的波形。仿真結果經(jīng)過(guò)傅里葉分析，單周期控制的單相Boost，電路的總諧波失真 THD=2.37%，功率因數為0.998，接近單位功率因數1;而帶乘法器的PFC總諧波失真THD=8.46%，功率因數為0.923，電流的波形都接近正弦波，由圖可以明顯看出帶乘法器的PFC電壓電流相位偏差較大，直流側的電壓都穩定在265 V，保證了直流側電壓的穩定?？梢?jiàn)，在相同條件下，單周期控制的PFC具有更好的功率因數校正的效果。

4 結束語(yǔ)

本文闡述了典型帶乘法器的PFC電路存在的缺陷與不足，同時(shí)基于這些，介紹了單周期控制的優(yōu)勢，給出了基于單周期控制的Boost PFC的原理和其在Matlab中Simulink仿真模型。仿真結果表明，單周期控制的Boost PFC相比于典型帶乘法器的PFC具有簡(jiǎn)單可靠、功率因數更高、抗干擾能力強等優(yōu)勢。