預測平均電流控制PFC Boost變換電路

葉滿園

（華東交通大學電子與電氣工程學院，南昌 330013）

隨著變頻器、開關電源等各種電力電子設備在工業領域中的應用日益廣泛，電網的電流諧波問題越來越嚴重，諧波污染給系統本身和周圍的電磁環境帶來了一系列的危害。因此功率因數校正（power factor correction，PFC）技術已成為電力電子技術領域一個新的研究熱點。

目前，常用的功率因數矯正技術主要包括：電流峰值控制、電流滯環控制、平均電流控制、單周期控制、基于無差拍和預測的混合控制等[1-3]。文獻[4]對平均電流控制PFC Boost變換電路進行了研究，但平均電流控制系統中因為采用了乘法器，這會因為乘法器的非線性失真而增加輸入電流的諧波含量；文獻[5]對單周期控制PFC Boost變換電路進行了建模與仿真研究，但是單周期控制需要采用電壓外環和電流內環的雙環控制，控制電路比較復雜。本文在分析比較了各種控制方法的基礎上，給出了一種新穎的預測平均電流控制（predictive averaged current control，PACC）策略，該策略采用了預測電流控制的思想和單周期控制策略的原理對PFC Boost變換電路進行控制。該策略消除了傳統控制方法中的乘法器，并且無需檢測輸入電壓，無需內環電流PI調節器。具有實現簡單、抗干擾能力強、響應速度快、輸入電流諧波成分低、適應輸入電壓和負載變化范圍寬等優點[6-8]。同時，仿真結果證明了該方法是正確可行的。

1 預測平均電流控制原理

根據功率因數的定義可知，要實現功率因數校正，必須滿足式（1），即

式中：為整流后電壓；為變換器的輸入端等效電阻；為電感電流函數，采用不同的控制方法，的表達式有所不同。

控制目標是在每個開關周期內，使電感上的電流的平均值跟電感電流函數的平均值相同[6]。由于開關頻率比電網頻率大的多，我們假設在一個開關周期內輸入和輸出電壓都為常數。故在Boost電路連續導通時，能夠在開關導通期間預測開關關斷期間電感電流的斜率，于是我們可以得到預測開關調制控制方程表達式[6]。

式（3）就是本文采用的一種新型控制策略，即預測平均電流控制技術的控制方程。當Boost變換器在連續導通模式下，我們可以得到

將式（4）帶入到式（3）可得預測平均電流控制策略的載波函數表達式

根據上述分析，可以得出預測平均電流控制的單相PFC Boost功率因數校正器的控制框圖，如圖2所示。

2 仿真研究

為了驗證預測平均電流PFC Boost變換器控制方法的正確性，本文利用Matlab仿真軟件下的Simulink和Simpowersystems工具箱對該電路進行了建模和仿真研究，仿真模型圖及子模型封裝圖如圖3和圖4所示。

仿真參數為：交流電源Vs=220 V；交流電源頻率為50 Hz；IGBT的開關頻率為50 kHz；輸出電壓為400 V；負載電阻R=450 Ω；平波電感L1=2.5 mH；輸出濾波電容C=470 uF。檢測輸出電壓的分壓電阻R1=1 580 kΩ；R2=20 kΩ；電流采樣電阻Rs=0.02 Ω。系統仿真步長h=10 us，仿真算法采用4階的龍格庫塔算法。圖5給出了交流側電壓、電流的仿真波形；圖6給出了輸入電流的頻譜含量波形圖；圖7給出了直流側電壓Vdc的電壓波形圖。

圖3的仿真模型圖中主要包括Simpowersystems工具箱中的交流電源模塊、通用橋式電路模塊（Universal Bridge）、開關器件IGBT模塊（IGBT）、二極管模塊（Diode）、電壓和電流檢測模塊等。其中通用橋模塊是一個封裝好的單項二極管橋式整流電路，Powergui模塊是用來對系統輸出電流做FFT分析的模型。

圖4給出了圖3中的脈沖生成電路的內部封裝電路。由圖4可見，Rs上的檢測電壓V02與電壓參考值Vref進行比較，然后經過PI調節器產生調制信號與三角載波進行調制。三角載波發生器（Carry wave Generage）的輸出信號與檢測電壓V01進行比較，比較結果作為S-R觸發器（S-R Flip-Flop）R端的控制信號，S-R觸發器的S端信號有時鐘模塊（Clock）提供。S-R觸發器的Q端輸出信號送給開關器件IGBT做為觸發脈沖信號，而S-R觸發器Qˉ端的信號送給載波發射器做為載波生成的控制信號。

圖5給出了基于預測平均電流控制策略下的PFC Boost變換器交流側輸入電壓和電流的仿真波形圖，從圖5中可以看出，電壓和電流能夠實現同相位，這就說明了預測平均電流控制策略能夠使得PFC Boost變換器實現單位功率因數運行。另外由電流波形可以看出，交流側輸入電流基本上接近于正弦，這說明了采用預測平均電流控制策略能夠使得交流側輸入電流的諧波失真（THD）很小，從而減少對電網的污染。

圖6給出了基于預測平均電流控制策略下的PFC Boost變換器在穩態時的直流側電壓Vdc的仿真波形，由圖6看見，系統穩定時的直流側電壓Vdc能夠保持跟給定參考電壓相同，基本穩定在400 V左右。

圖7給出了基于預測平均電流控制策略下的PFC Boost變換器電感電流的頻譜分析圖，圖7（a）為電感電流波形，圖7（b）為電廠電流的頻譜圖。從圖7可以看出，系統穩定運行時的電感電流的諧波失真（THD=3.46%）很小，完全滿足電網對并網電流THD小于5%的國際標準。

3 結論

本文紹了一種新穎的預測平均電流PFC Boost變換器控制策略，對其控制原理進行了詳細分析，通過仿真研究表明，采用預測平均電流控制的PFC Boost變換器具有控制電路簡單可靠、輸入功率因數高、電流諧波失真小、抗干擾能力強等優點，為有源功率因數校正提供了一種簡單可行的控制方法。

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