三電平BOOST電路在功率因數調節(PFC)方面的應用

孫洲同，趙賀雍，陳百新

(1.東北電力大學，吉林 吉林 132012;2.興安供電公司，內蒙古 烏蘭浩特 137400)

目前，電動汽車、新能源、蓄電池儲能系統中直流電源、負荷會產生大量的諧波［1－2］，對電網造成了嚴重的諧波污染。而當今，解決諧波污染問題的技術方法很多，文獻［3－5］提出了三電平功率因數校正電路，但是在應用時存在場合器件的開關損耗和通態損耗過大、高電壓等級器件選擇困難、PFC變換器濾波器尺寸過大而成本過高等問題。研究具有低輸入電感電流紋波的PFC變換器具有主要意義［6－9］。因此，本文提出了高電壓等級PFC應用的三電平級聯式BOOST電路，對基于三電平結構、PFC功能的AC－DC變換器的實現進行了論證和相關公式推導，并對其進行仿真驗證，解決了電感電流波紋過大的問題，拓展了交流輸入電壓等級，實現了三電平結構PFC應用。

1 三電平boost拓撲結構

級聯型多電平BOOST電路適合高電壓等級的應用，通過PWM載波移相調制技術和高頻開關管，能夠在高壓下提高電能質量，多電平穩定輸出，減小變換器體積。

級聯型多電平BOOST電路由基本的PCELL、N－CELL公共端串聯構成，如圖1所示。

電路可以接入更高等級的輸入電壓，并在負載平衡時輸出兩個相同的輸出電壓。三電平結構工作狀態有4種:S1、S2都關斷，S1、S2中的一個導通，另一個關斷和S1、S2均導通。

決定電容C1、C2充放電過程的分別是主動開關管S1、S2。當S1斷開時，電容C1充電;當S1閉合時，電容C1放電;S2和C2也有相同的關系。設兩輸出電壓分別為Uo1和Uo2，兩輸出電流為Io1和Io2，輸入電壓和電流分別為Uin和Iin，兩個主動開關管占空比均為d，在三電平結構達到穩態時，針對電容充放電過程有以下公式:

圖1 三電平模塊拓撲結構Fig.1 Three level module topology

式中:Iox為Io1、Io2中的任意一個。在兩輸出功率相等時，兩個開關的占空比能夠實現對電壓的控制，且兩占空比相等。

另一方面，為了減小電感波紋，需要采用載波移相調制技術［9］。應用PWM技術生成兩個主動開關管觸發信號時，將兩個載波移相，使二者相角相差180°，在一個開關周期中平均分配電感兩次充放電，能夠提高電感電流頻率，減小電感電流波紋。

電容波紋頻率，即為開關頻率，在占空比不等于0.5的情況下，電感波紋頻率為開關頻率的2倍;在占空比等于0.5的情況下，電感波紋由于載波移相調制方式，因此降低到可以忽略的程度。電容電壓波紋和電感電流波紋計算公式如下:

對式(4)和式(6)求導，二者的極大值點分別在d=0.25和d=0.75處取得。在設計三電平結構中的電感時，應考慮d在0.25或0.75處的電感波紋，使其滿足電能質量要求。

2 基于三電平結構的PFC整流器［6－9］

三電平結構能夠完成PFC功能的整流器，在交流側呈現純電阻負載特性，其等效模型如圖2所示。

圖2 PFC變換器等效模型Fig.2 Equivalent model of PFC converter

圖2中Re所消耗的功率是交流側消耗的純有功功率，從交流側傳遞到直流側，而不是電阻器件消耗的熱損耗。

基于三電平的PFC整流器由不控整流電路后接三電平結構構成的，其原理為不控整流輸出波形，經過三電平整體升壓，輸出穩定直流電壓，在三電平結構兩輸出端負載平衡時將這一直流電壓平分給兩個輸出口。通過電壓外環和電流內環的整體控制，輸出調制比d，完成PFC整流功能。其拓撲結構如圖3所示。交流側電壓UAC、電流IAC波形、不控整流輸出電壓|UAC|波形、直流側電壓U及相應調制比d變化曲線如圖4所示。

圖3 三電平boost電路的PFC應用拓撲結構Fig.3 PFC topological structure of three level boost circuit

各電氣量之間關系及公式為

式中:UM為交流側電壓UAC峰值;Uo1、Uo2為直流側兩輸出端口電壓;IAC為交流側電流;I(t)為直流側電流瞬時值。

直流側電流含二倍頻分量，直流側兩電容可起到對此二倍頻分量進行濾除的作用，使得直流側電流近似為

圖4 理想PFC整流電路中各電氣量波形圖Fig.4 Electric quantity ideal waveform in PFC rectifier circuit

三電平PFC整流電路控制系統原理如圖5所示。

圖5 PFC整流變換器控制框圖Fig.5 PFC rectifier converter control block diagram

電壓外環通過比例積分環節，以控制輸出直流電壓等級為目的給出電流幅值參考量im。幅值參考量im與波形信息相乘得到iref。iref作為電流內環的參考量，通過另一比例積分環節使得電路完成純有功變換功能，得到控制環節對Re調節的公式:

三電平電路控制實現PFC整流功能，在本質上對交流側功率進行控制，控制交流側向直流側進行能量輸送的過程。其核心就是通過電壓外環得到預想直流電壓，在此基礎上控制功率流動，確定電流內環中電流參考量的幅值。電流幅值參考量綜合了交流電壓波形及控制電路信息，具備了PFC變換器功能。

3 電路的仿真驗證

電路的仿真驗證為基于三電平結構的PFC整流器所采用的控制策略在載波移相調制下進行的。仿真環境為PSIM軟件，為了有效突出文中所述現象，對各原件進行了選值:電感值為0.8 mH，電容為5 mF，輸入電壓峰值為400 V，兩輸出端口電壓均為200 V，功率等級4 kW。在仿真結果中能清晰看到上文所述電氣現象。

電感電流及調制比d仿真波形圖如圖6所示。

圖6 電感電流及調制比d仿真波形圖Fig.6 Inductor current and the modulation ratio d simulation waveform

在圖6中，由上到下分別為電感電流波形和調制比d變化波形，其電感波紋隨調制比d變化呈現了式(4)—式(6)所推導的電感波紋變化。在占空比為0、0.5、1.0時明顯能看到電感波紋減小到可忽略的程度。不控整流輸出側電壓電流波形圖如圖7所示。

圖7 不控整流輸出側電壓電流波形圖Fig.7 Uncontrolled rectifier output voltage and current waveforms

在圖7中，幅值較大的為不控整流輸出電壓波形，幅值較小的是電流波形，電壓、電流同相位，完成了功率因數校正(PFC)功能。三電平結構輸入輸出電壓及調制比波形圖如圖8所示。

在圖8中，上圖為兩端口輸出直流電壓之和與不控整流輸出側電壓的波形，下圖為調制比d的波形。仿真結果證明了公式(8)推導的正確性。

圖8 三電平結構輸入輸出電壓及調制比波形圖Fig.8 Input and output voltage and modulation ratio waveform of three level structure

在圖8中，上圖為兩端口輸出直流電壓之和與不控整流輸出側電壓的波形，下圖為調制比d的波形。其仿真結果證明了式(8)推導的正確性。

4 結論

1)載波移相調制技術和平均電流控制方法法適合三電平結構的特點。

2)三電平結構在載波移相調制法下電感波紋等效頻率加倍，電流波紋幅值減小到原來的1/2。

3)基于三電平Boost的PFC變換器電流環靈敏度高，易于控制，能有效實現PFC變換。

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