基于單周期控制的高功率因數整流器仿真

肖支才，張樹團，王義冬

（1.海軍航空工程學院 控制工程系，山東 煙臺 264001；2.海軍航空工程學院 研究生管理大隊，山東 煙臺 264001）

隨著電力電子技術的不斷發展，帶非線性負載的電力電子裝置在電網中得到廣泛應用并產生大量電流諧波，電力系統的波形畸變及由此產生的諧波不僅大大降低了系統的功率因數，而且也給系統帶來了危害。

尋求更加簡單的控制策略，降低PFC成本，減少總諧波含量（THD）和EMI，目前對三相功率因數校正方面的研究主要集中在控制策略和拓撲結構方面。控制策略的研究主要集中在電流型控制、多環控制、單周期控制[1]、矢量控制等方面。采用單周期控制技術控制三相整流器以減小電流畸變，使輸入電流在每個開關周期都能很好跟蹤參考電流[2]，使直流輸出端存在大量電流諧波時，也能實現較小的輸入電流畸變[3]，從而實現高功率因數整流。

1 整流器的拓撲結構

三相三開關[4-5]PFC電路如圖1所示，主要有兩電平和三電平2種結構。圖1（a）為三電平結構，兩電容中點電位與電網中點的電位基本相同，通過雙向開關Sa、Sb、Sc分別控制對應相的電流。開關合上時對應相的電流幅值增大，開關斷開時對應橋臂上的二極管導通電路，在輸出電壓的作用下Boost電感上的電流減小，從而實現對電流的控制。圖1（b）所示的電路為兩電平結構，通過開關動作，可以控制相間的電流。開關管導通時，電感儲能，電感電流增大；開關管關斷時，電源和電感共同向負載供電，電流減小。

圖1 三相三開關變換器電路

可以看出，以上兩種拓撲結構各有優缺點。這里選擇兩電平的拓撲結構，采用分區間控制的方法，讓其工作在雙端并聯Boost[6]態，這種控制方法的特點是在任何時刻只有兩只開關管工作在高頻狀態下，故損耗較小。當電路工作在連續導電模式下，該結構電路使輸入電壓和輸入電流同相位，能夠實現單位功率因數，并且輸入電流總諧波含量較低。

2 單周期控制（OCC）技術

OCC技術是90年代初發展起來的一種非線性大信號PWM控制理論，也是一種模擬PWM控制技術。它通過控制開關的占空比，使每個開關周期中開關變量的平均值嚴格等于或正比于控制參考量。平均輸入電流跟蹤參考電流且不受負載電流的約束，即使負載電流具有很大的諧波也不會使輸入電流發生畸變。因而將單周期控制技術應用于三相整流器中可以實現低電流畸變和高功率因數，這種控制方法取消了傳統控制方法中的乘法器，使整個控制電路的復雜程度降低，具有動態響應快、開關頻率恒定、魯棒性強、易于實現等優點，是一種很好的控制方法。

2.1 OCC技術基本原理[4]

圖2為固定開關頻率的單周期控制降壓變換器原理圖。

圖2 單周期控制降壓變換器原理圖

為對單周期控制技術進行說明，現以單周期控制降壓變換器為例進行說明。圖2中，電路工作時，由控制器以恒定頻率產生開通脈沖開通開關S，二極管VD的電壓VS經積分器后輸出電壓Vinf，當Vinf達到給定電壓Vref時比較器輸出翻轉，控制器發出關斷信號關斷開關S；與此同時，控制器發出的復位信號使實時積分器復位至零，為下一周期做好準備。可以看出，降壓變換器的輸出電壓是二極管電壓的平均值，即被開關周期斷開的二極管電壓波形曲線下的面積：

如果給定信號Vref為常數，二極管的平均電壓VS就為常數，從而輸出電壓就為常數。積分值連續的與恒定的控制參考量相比較，如果輸入電壓變高，積分值能很快達到控制參考量，占空比隨之變小；若輸入電壓降低，則占空比將變大。如果控制參考量是變化的，那么在一個開關周期內，二極管電壓的平均值等于變化的控制參考量，輸出電壓等于控制參考量。控制參考量在每個階躍期間內改變它的值，二極管電壓的積分值會立即跟蹤控制參考量，對于這個控制原理，占空比d由式（2）確定。

可見，占空比d是輸入電壓Vg和給定電壓Vref的非線性函數。因此這種控制方式屬非線性控制。由于這種非線性控制，使得VS的電壓平均值在每一開關周期內都與Vref完全相同，并且與輸入電壓Vg無關。這樣，輸出電壓V0便是給定電壓Vref的線性函數：

2.2 單周期控制在PFC整流器中的應用

單周期控制是一種不需要乘法器的新穎控制方法，將整個周期每隔60°進行劃分，共分為6個區間。依據PWM控制技術的工作原理，三相整流器可以在每個60°區間內只控制2個開關的通斷實現單位功率因數。電路等效成2個單相Boost電路并聯，可以用單相PFC的控制技術對電路進行控制。現以固定開關頻率的單相Boost型PFC為例，來論述單周期控制技術在高功率因數整流器中的應用。

圖3所示為單周期控制的PFC整流器，省去了線電壓檢測器和乘法器，是一種比較簡單的電流控制模式，電流檢測電路與傳統的乘法器控制方式中所使用電流檢測電路不同。檢測電流為電感電流的Boost功率因數校正器，電流檢測采用電感回路串聯一只精密無感電阻Rs實現。Rs可位于流經電感電流的任意位置。通常，將Rs設置在直流側，這樣檢測電路就比較簡單，且不需要進行隔離。

圖3 單周期控制的Boost整流器框圖

設定脈沖信號由Q端取出作為觸發信號，采用下降沿調制時的控制規律為：

在Boost變換器中，假設輸入阻抗為理想電阻，則輸入電流的平均值等于電感電流的平均值，即：

式中，Re為等效輸入阻抗，νg為輸入電壓。

穩態狀態時，單相PFC整流器的輸出電壓V0與輸入電壓νg的關系為：

將式（6）代入式（5）可得：

將單相Boost變換器中電壓轉換率M（d）=1/（1-d）代入式（7），所得方程兩邊同乘以常數RS，并令vm=V0RS/Re，整理可得：

式（8）表示了平均電感電流的控制規律。若忽略紋波，平均電感電流等于瞬時電感電流，故電感電流的控制規律可表示為：

式（9）為通用的單相PFC控制方程，該方程右邊主要由PWM調制器實現，而左邊則由電流檢測電路實現。

3 基于Saber的整流器仿真

3.1 Saber軟件

Saber軟件是由美國Analogy公司開發的系統仿真軟件，可用于電子、電力電子、機電一體化、機械、光電、光學、控制等不同類型系統構成的混合系統仿真，它為復雜的混合信號設計與驗證提供了一個功能強大的混合仿真器，可解決從系統開發到詳細設計、驗證等一系列問題。Saber支持自頂向下的系統設計和由底向上的具體設計、驗證，它具有很大的通用模型庫和較為精確的具體型號器件模型。專門為Saber仿真器設計的Saber Sketch是建立系統的平臺，它提供了友好的用戶圖形界面，使得仿真非常直觀。在Saber Scope中可觀察波形，并有多種測量、分析、比較的方法，可以滿足多種實驗要求。因此，在Saber Sketch中建立系統的模型，仿真各種控制策略，模擬現實的各種穩態瞬態情況，有利于降低開發費用和縮短研究周期。

3.2 整流器的Saber仿真

圖4 三相PFC控制框圖

為了驗證理論的正確性，按照單周期控制原理和圖4所示的三相PFC的核心控制框圖，利用Saber軟件對該電路進行仿真。利用Saber Sketch提供的電力電子和控制系統模塊以及信號轉換接口模塊，并用Saber中具體型號的器件模型，搭建了系統的仿真模型。仿真具體參數如下：輸入電壓為三相交流115 V，400 Hz，輸出直流電壓為350 V，輸出功率為5 kW，輸入電感為0.5 mH，濾波電容為2 200 μF，電壓反饋電路中KP=20，KI=0.25，開關頻率為100 kHz。通過仿真得到A相輸入電壓和電流波形以及直流側輸出電壓波形圖，如圖5所示。對該A相輸入電流進行傅里葉分析，測得該相電流的THD為3.852%，將所得的數據運用LabVIEW軟件編寫的功率因數分析軟件進行分析，得到整流器的功率因數為0.993。由此可見，該系統基本實現了單位功率因數。

4 結束語

基于單周期控制技術的高功率因數整流器的三相三開關拓撲結構，研究了控制策略。在工頻周期每60°的區間中，只有2個開關工作在高頻開關頻率，減少了開關損耗，并用Saber軟件進行仿真，結果顯示輸入電壓和輸入電流同相位，驗證了采用單周期控制技術能夠實現高功率因數。這種控制方法能在一個開關周期內，有效抵制電源側的擾動，并使整個控制電路的復雜程度得到降低，有很好的應用前景。

[1]張崇巍，張興.PWM整流器及其控制[M].北京：機械工業出版社，2003：10.

[2]張純江，顧和榮，趙清林，等.單周期控制無乘法器三相電壓型PWM整流器[J].電工技術學報，2003，18（6）：28-32.

[3]張厚升.基于單周期控制的高功率因數整流器的研究[D].西安：西北工業大學，2005.

[4]張厚生.單周控制的三相三開關高功率因數整流器[J].電工技術學報，2007，22（4）：113-117.

[5]QIAO Chong-ming，Smedley Keyue M.Three-phase unity-power-factor star-connected switch rectifier with unified constantfrequency integration control[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2003，18（4）：952-957.

[6]QIAO Chong-ming，Smedley Keyue Ma.A general three-phase PFC controller for rectifiers with a series-connected dualboost topology [J].IEEE Transactions on Industry Applications，2002，38（1）：137-148.