基于數(shù)字單周期控制Boost PFC變換器的設(shè)計與仿真

李少林，張景明，張維路，張卓夫

（桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林541004）

基于數(shù)字單周期控制Boost PFC變換器的設(shè)計與仿真

李少林，張景明，張維路，張卓夫

（桂林電子科技大學(xué)，廣西桂林541004）

單周期控制技術(shù)（One-Cycle-Control，OCC）是當(dāng)前一種比較新型非線性大信號PWM控制技術(shù)，單周期就可以實現(xiàn)控制目標(biāo)，廣泛運用于功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）。在論述單周期控制原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計了一種基于單周期控制的Boost變換器并進行實驗論證。實驗結(jié)果證明，單周期Boost PFC變換器可以實現(xiàn)PFC所控制的目標(biāo)。

單周期控制；變換器；功率因數(shù)校正

近年來，隨著電力電子的快速發(fā)展，大量非線性負(fù)載的電力電子設(shè)備應(yīng)用于實際生活的各個方面。但這些非線性負(fù)載的設(shè)備在實際工作時產(chǎn)生了大量諧波，不僅影響設(shè)備自身的工作效率，也對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。功率因數(shù)校正（PFC）是處理諧波的一種有效方法。因此，功率因數(shù)校正成為了當(dāng)前電力電子領(lǐng)域的一個研究熱點。

單周期控制是一種新型非線性大信號PWM控制技術(shù)。在輸入電壓或負(fù)載出現(xiàn)快速變化的情況下，能在單周期內(nèi)實現(xiàn)控制目標(biāo)。與傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正方式對比，少了乘法器，具有調(diào)制和控制的雙重功能。其最顯著的特點就是不論穩(wěn)定或擾動狀態(tài)都能使受控量的平均值與控制參考基值成正比關(guān)系。單周期控制具有動態(tài)響應(yīng)快、開關(guān)頻率恒定、抗干擾性強和易于實現(xiàn)的優(yōu)點，近年來在PFC技術(shù)上得到廣泛的應(yīng)用。

本文以單周期控制的基本理論為基礎(chǔ)，引入Boost PFC變換器以實現(xiàn)功率因數(shù)校正。首先，分析單周期控制Boost PFC變換器的工作原理；然后根據(jù)原理計算并設(shè)置基本參數(shù)；最后運用Saber軟件進行仿真，驗證單周期控制的Boost變換器實現(xiàn)PFC的控制目標(biāo)的可行性。

1　單周期控制的基本原理

單周期控制即OCC，它是源于上世紀(jì)90年代初美國學(xué)者提出的一種非線性大信號脈沖寬度調(diào)制控制理論，也是一種模擬脈沖寬度調(diào)制控制技術(shù)。它通過控制開關(guān)關(guān)斷時間，使每個開關(guān)周期中開關(guān)變量的平均值與控制基準(zhǔn)量成正比關(guān)系。在連續(xù)導(dǎo)通模式（Continuous Conduction Mode，CCM）下，以圖1所示Buck變換器為例來闡述OCC的基本工作原理[1]。

圖1　OCC Buck變換器工作原理圖

由圖1可以看出OCC的核心是帶有復(fù)位開關(guān)S1的積分器，此外還有RS觸發(fā)器。在一個周期T內(nèi)，當(dāng)一個時鐘脈沖到來時，RS觸發(fā)器的Q端為高電平，主開關(guān)S閉合，此時被檢測量UVD=Uin，積分器開始工作。當(dāng)積分器輸出U1=Uref（Uref為基準(zhǔn)參考電壓，單周期內(nèi)時，RS觸發(fā)器端為高電平，主開關(guān)S斷開，復(fù)位開關(guān)S1閉合，此時UVD=0.在一個周期T內(nèi)，如果RC=T，則輸出電壓為

式中D為占空比。

則：

2　單周期控制Boost變換器功率因數(shù)校正的實現(xiàn)方法

圖2所示的是OCC Boost變換器PFC的工作原理。

圖2　OCC Boost變換器PFC工作原理圖

根據(jù)功率因數(shù)的定義，要達(dá)到PFC效果需要滿

足[2]：

式中，Re為輸入端等效阻抗；Ii為輸入電流。

如果在系統(tǒng)每個工作周期內(nèi)，Re可以等效為一個純電阻，則功率因數(shù)λ=1.根據(jù)Boost電路原理，在一個工作周期內(nèi)，變換器的輸入電壓Ui和輸出電壓U0可以表示為：

式中D為占空比。

令：

合并式（3）～（5）可得：

當(dāng)輸出濾波電容CL達(dá)到一定值時，輸出電壓U0可以視為是一個恒定值。在一個工作周期內(nèi)，由式（5）可以看出Um是恒定的。因此，Ii總是跟隨著Ui，所以變換器的輸入端阻抗等效于一個電阻，實現(xiàn)功率因數(shù)校正。將式（4）代入式（6）得到控制目標(biāo)：

3　實驗驗證

3.1樣機設(shè)計

運用基于單周期控制的集成芯片IR1150S[3]搭建了一臺Boost PFC變換器的原理樣機，如圖3所示。實驗樣機的主要參數(shù)為：輸入交流電壓有效值為85～264 V/50 Hz；開關(guān)管工作頻率為100 kHz；輸出直流電壓為380 V；輸出額定功率為300 W；過壓保護電壓為425 V；升壓電感為800 uH；輸出濾波電容為330 uF/450 V；電流檢測電阻為0.1 Ω.

圖3　基于IR1150的Boost PFC變換器

3.2實驗結(jié)果及分析

如圖4所示，在額定負(fù)載下，輸入交流電壓110 V時，輸入電壓uin、輸入電流iin的實驗波形。實驗結(jié)果表明輸入電流iin相位同步于輸入電壓uin，實驗波形良好。

圖4　OCC Boost PFC變換器輸出電壓、輸入電壓和輸入電流實驗波形

4　結(jié)束語

本文闡述了單周期控制Boost PFC變換器工作原理，并采用基于單周期控制的芯片IR1150S搭建了一臺原理樣機，通過用Saber軟件進行模擬仿真驗證，實驗結(jié)果表明所設(shè)計的單周期控制Boost PFC變換器可行性良好。

[1]朱鋒，龔春英.單周期控制Boost PFC變換器分析與設(shè)計[J].電力電子技術(shù)，2007，41（1）：100-102.

[2]曹廣華，胡宗波，張波.單周期控制Boost PFC變換器[J].電力電子技術(shù)，2005，39（3）：6-7，19.

[3]IR1150S.Data Sheet-International Rectifier Corp[Z].2005.

Design and Simulation of the Boost PFC Converter Based on One-Cycle-Control

LI Shao-lin，ZHANG Jing-ming，ZHANG Wei-lu，ZHANG Zhuo-fu
（Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

One-Cycle-Control（OCC）is a novel nonlinear large signal PWM control technique，single cycle can realize the control target，is widely applied in Power Factor Correction（PFC）.In this paper，based on discussing the theory of OCC，design a Boost converter based on OCC and verify by experience.The experimental result indicates that one-cycle-control Boost PFC converter can realize the target of PFC.

one-cycle-control；converter；power factor correction

TM46

A

1672-545X（2016）10-0066-02

2016-07-12

李少林（1964-），男，廣西桂林人，博士，副教授，高級工程師，研究方向：機電一體化裝備電氣控制技術(shù)，電力電子技術(shù)。