單周期控制的三相PFC技術(shù)研究

黃冠 萬里

（1、西南交通大學(xué),四川 成都 610000；2、成都電業(yè)局，四川 成都 610000）

1.引言

單周期控制是一種非線性控制技術(shù)，該控制方法的突出特點(diǎn)是:無論是穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)，它都能保持受控量(通常為斬波波形)的平均值恰好等于或正比于給定值，即能在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，有效的抵制電源側(cè)的擾動(dòng)，既沒有穩(wěn)態(tài)誤差，也沒有暫態(tài)誤差，這種控制技術(shù)可廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的場合，比如脈寬調(diào)制、諧振、軟開關(guān)式的變換器等[2-5]，為達(dá)到理想的功率因數(shù)校正的目的，本文研究了一種基于單周期控制的三相三開關(guān)PFC電路，并根據(jù)分析所得，對電路進(jìn)行了建模和仿真。仿真結(jié)果給出了輸入電流與輸入電壓的波形，并分析了不同情況下對輸入電流的影響。根據(jù)電路原理以及電路仿真，搭建了1KW的實(shí)驗(yàn)裝置，對實(shí)驗(yàn)波形進(jìn)行了分析。

2.功率因數(shù)校正電路的分析

在三相電源領(lǐng)域中，人們提出了許多的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法。本章給出了一種基于單周期控制的三相三開關(guān)PFC電路。重點(diǎn)分析了其工作原理與采用的控制方式，并通過實(shí)驗(yàn)和仿真驗(yàn)證其正確性。圖一包括三個(gè)輸入boost電感L1～L3，工作于電流連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM），其中6個(gè)MOS開關(guān)器件及6個(gè)二極管等效構(gòu)成三個(gè)雙向開關(guān)[6]。由于三相電路的對稱性，電容中點(diǎn)電位UN與電網(wǎng)中點(diǎn)電位UO近似相等，因此通過控制三個(gè)雙向開關(guān)的通斷可分別控制相應(yīng)相的電流。開關(guān)合上時(shí)相應(yīng)相的電流幅值增大，開關(guān)斷開時(shí)相應(yīng)橋臂上的二極管導(dǎo)通 (電流為正時(shí)，上橋臂二極管導(dǎo)通；電流為負(fù)時(shí)，下橋臂二極管導(dǎo)通)，在輸出電壓作用下電感中電流減小，從而實(shí)現(xiàn)對電流的控制[7]。

圖1

3.單周期控制技術(shù)

單周期控制技術(shù)的特點(diǎn)就是要保證變換器的輸出電壓在每一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)都等于給定參考電壓。當(dāng)給定參考電壓為常數(shù)時(shí)，變換器輸出也等效成穩(wěn)定的直流電源。因此單周期控制技術(shù)具有直流輸出電壓調(diào)節(jié)性能好的優(yōu)點(diǎn)。與傳統(tǒng)電壓反饋控制相比，單周期控制的動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，抗電源干擾能力強(qiáng)，魯棒性強(qiáng)，適用于恒頻恒寬控制，在整流器PFC校正電路中有廣泛應(yīng)用。文獻(xiàn)[9]介紹了單周期控制技術(shù)在單相Boost PFC和三相Buck PFC的應(yīng)用。本文把單周期控制技術(shù)應(yīng)用到三相三開關(guān)PFC電路中。

由上文討論可知，三相三開關(guān)PFC電路中，其控制方程式可為下式表示：

聯(lián)系單周期控制技術(shù)的原理，可定義積分常數(shù)τ=Ts，并用峰值電感電流iLapk,iLbpk,iLcpk代替上式中的ia,ib,ic,故上式可以化為

基于以上理論分析，通過設(shè)計(jì)適當(dāng)電路來實(shí)現(xiàn)上式的等式關(guān)系，即可達(dá)到功率因數(shù)校正的目的。

4.實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì)

主電路的設(shè)計(jì)主要包括主開關(guān)器件的選用,輸入電感的選取，濾波電容的選取等。

系統(tǒng)框圖如圖4.1所示，本電路的主要技術(shù)參數(shù)為：輸入線電壓有效值：100V輸入電壓的頻率為：50Hz；開關(guān)頻率為：5KHz輸出額定功率：1KW；負(fù)載電流：3.7A；輸出直流電壓：275V；本實(shí)驗(yàn)所采用的芯片為M57959L。M57959驅(qū)動(dòng)器輸入經(jīng)高速光耦隔離（絕緣強(qiáng)度2500VAC/1min），與TTL兼容。

圖2

5.實(shí)驗(yàn)與仿真

用PSPICE軟件對該電路進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，將所研究的基于單周期控制的三相三開關(guān)PFC電路進(jìn)行了主電路和控制電路的仿真，仿真波形與理論分析結(jié)果基本一致。

在原理分析和電路仿真基礎(chǔ)上，搭出了本文所研究的三相PFC電路，并進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中首先輸入線電壓為50V，圖4為不加驅(qū)動(dòng)信號的輸入電流波形，圖5為采用單周期控制之后的輸入電流波形，可以看出電流波形有明顯改善圖，圖4的電流波形THD為14.45%，圖5的電流波形THD為7.895%。

圖4 輸入電流波形(未加PFC環(huán)節(jié))

圖5 輸入電流波形（加PFC環(huán)節(jié)）

圖6 輸入電流波形(未加PFC環(huán)節(jié))

圖7 輸入電流波形(加PFC環(huán)節(jié))

圖8 鋸齒波波形

圖9 整流后輸入電流反饋

增大輸入電壓至100V，輸出電壓為275V，負(fù)載為75Ω，圖6為不加功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)的輸入電流波形，圖7為加入功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)后的輸入電流波形。圖8為給定鋸齒波波形。圖9為整流后反饋電流波形。用wavestar軟件分析輸入電流波形后，可以知道未加功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)時(shí)，其電流波形THD為32.77%，加入功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)后，其輸入電流THD為9.188%，比較而言，可知其得到了很大的改善。與仿真實(shí)驗(yàn)波形對比來看，實(shí)驗(yàn)所得的輸入電流THD還比較大，分析而言，主要原因就是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中采用了一系列的磁性元件和電容，在電路高頻工作中產(chǎn)生了很多擾動(dòng)，在實(shí)驗(yàn)中，實(shí)驗(yàn)的裝置結(jié)構(gòu)還不夠合理，電路板的抗擾動(dòng)特性還不是很完善，還有一點(diǎn)就是電網(wǎng)輸入相電壓的波形本身的THD就比較大，也相應(yīng)的導(dǎo)致了輸入電流的畸變。

結(jié)論。提出了一種提出了一種由單周期控制的三相三開關(guān)的功率因數(shù)校正電路，對其進(jìn)行了分析、仿真及實(shí)驗(yàn)研究，得到了滿意的效果。本電路采用了高頻工作模式，因此不可避免的帶來了一定功率損耗，設(shè)計(jì)中抗干擾的設(shè)計(jì)還不是很完善，還有待進(jìn)一步的改良。綜上所述，雖然該電路還存在一些缺點(diǎn)，但是該電路仍然是一種控制簡單，功率因數(shù)校正效果好的三相整流電路，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

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