雙Boost—PFC穩(wěn)壓控制策略研究

馬健

【摘要】提出一種基于非線性的調節(jié)方法，設計均壓環(huán)，解決PFC輸入電流諧波增大以及母線電壓超調明顯、震蕩時間過長造成升壓控制不穩(wěn)定的問題。

【關鍵詞】雙Boost-PFC；穩(wěn)壓；均壓環(huán)

1.PFC整流技術

有源功率因數(shù)校正APFC（Active Power Factor Correction）的基本電路由兩大部分組成：主功率電路和控制電路，其基本思想是：將輸入的交流電壓進行全波橋式整流，對得到的整流直流電壓進行DC-DC變換。通過相應的控制（PWM調制）使輸入電流平均值自動跟隨全波整流電壓基準，呈正弦波形，且相位差為零，輸入阻抗呈純阻性，從而使功率因數(shù)趨近于1。

1.1 PFC工作原理

任何一種DC-DC開關變換器拓撲都可用作PFC的主功率電路。而升壓式（Boost）變換器由于具有電感電流連續(xù)、儲能電感也兼做濾波器可抑制RFI和EMI噪聲、電流波形失真小、輸出功率大及共源極、驅動電路簡單等優(yōu)點，應用于PFC更為廣泛。現(xiàn)有的PFC電路一般都采用雙環(huán)控制，內環(huán)為電流環(huán)，用來實現(xiàn)DC-DC變換器的輸入電流與全波整流電壓波形相同；外環(huán)為電壓環(huán)，可保持輸出電壓穩(wěn)定，從而使DC-DC變換器輸出端成為一個直流電壓源。經(jīng)過校正的輸入電流經(jīng)PWM脈沖寬度調制，使原來呈脈沖狀的波形，被調制成接近正弦（含有高頻紋波）的波形。在一個開關周期內，當開關導通時，電感電流等于開關導通電流。當開關關斷時，流過開關的電流為零。含有高頻紋波的輸入電流，經(jīng)過低通濾波網(wǎng)絡，取每個開關周期內的平均值，則可得到較光滑的近似正弦波。

1.2 平均電流控制

PFC系統(tǒng)增加了一個電流內環(huán)，輸入電流的采樣與電流給定信號（電壓調節(jié)器的輸出）比較，產(chǎn)生的誤差信號做調節(jié)器（一般為PID）的輸入，調節(jié)器的輸出做為參考波，而用一個恒頻鋸齒波做為載波，兩個信號送入比較器，比較器的輸出控制驅動電路使開關管導通或關斷。這種方法集中了峰值電流控制的恒頻控制優(yōu)點和滯環(huán)電流控制的精度優(yōu)點，在保證極低的輸入THD的同時，簡化了輸出濾波器的設計，且因為有電流控制器做調節(jié)，取的是平均電流，所以提高了系統(tǒng)在噪聲干擾下的穩(wěn)定度和精度。這種控制方式的優(yōu)點是：恒頻控制，工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)，開關管電流有效值小、EMI濾波器體積小；能抑制開關噪聲；輸入電流波形失真小。主要缺點是：控制電路復雜，需用乘法器和除法器，需檢測電感電流，需電流控制環(huán)路；參考電流與實際電流的誤差隨著占空比的變化而變化，可能引起低次電流諧波。

2.關鍵技術均壓環(huán)的設計

均壓環(huán)的設計，是為了保證輸出正負直流母線電壓平衡。其控制思路為：檢測正負母線偏差量，并將其輸出的調節(jié)量，疊加在電流環(huán)基準上，以此改變母線電壓幅值，從而達到控制母線平衡的目的。

其中，為均壓控制器輸出，為達到“輸入電流諧波≤5%”“輸入功率因數(shù)≥0.99”的指標，必須保證低次諧波含量足夠低。

在傳統(tǒng)的控制方式中，均壓控制器通常采用比例積分控制器形式，來滿足母線平衡的控制需求，同時為了防止引入低次諧波，會采用較低的帶寬，以平滑均壓控制器的輸出。這就相當于在調整速率和輸入電流諧波兩個指標之間進行平衡。這樣的問題在單相交流輸入系統(tǒng)中尤其凸顯，均壓環(huán)速度快，勢必引起輸入電流諧波的增大；而均壓環(huán)速度慢，則導致母線電壓超調明顯、震蕩時間長。在實際生產(chǎn)過程中，使用一種非線性的調節(jié)方法來解決該問題。其基本思路為：在正負母線電壓偏差較小時，采用低帶寬的控制器；而當正負母線電壓偏差較大時，采用高帶寬的控制器，以達到調整速度與輸入電流諧波兼顧的目的。

通過以上函數(shù)設計，使用該控制器可將原有輸出與誤差的線性關系，轉變?yōu)橹笖?shù)關系。即當誤差足夠小時，控制器的輸出可近似為積分環(huán)節(jié)的輸出，其低次諧波含量很小；而隨著誤差的增大，調節(jié)器的輸出中，比例環(huán)節(jié)的作用呈現(xiàn)指數(shù)曲線增大趨勢，即帶寬呈指數(shù)曲線增大。

3.試驗結果

3.1 仿真驗證結果

假設KP=1；Ki=0.001，當誤差為1～6之間時，可得到控制器的波特圖如下。由圖可知，誤差增大過程中，帶寬增益顯著增大；而當誤差小于1時，帶寬顯著降低，如圖1所示。利用以上特性，可在控制器設計過程中找到一個誤差臨界點。在臨界點以上使用高帶寬的調節(jié)方式，確保系統(tǒng)快速穩(wěn)定；在臨界點以下，使用低帶寬調節(jié)方式，使得輸出量低次諧波含量更低。

3.2 參數(shù)驗證結果

通過比較可以看出，改進型PI控制方式可以提高輸入功率因數(shù)，減小輸入電流諧波，同時電壓無明顯波動，起到了預期的電壓控制效果，實現(xiàn)了穩(wěn)壓目的。

4.結論

本文提出了一種用于UPS的雙Boost PFC穩(wěn)壓控制策略，改進了均壓環(huán)電路設計，運用PI調節(jié)實施控制，實現(xiàn)了穩(wěn)壓目的。

參考文獻

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注：本文是河北省高等學校科學技術研究項目雙BOOST-PFC及三電平逆變數(shù)字控制算法的優(yōu)化研究（項目編號：QN20131174）的成果之一。