基于改進型平均電流控制的單相無橋PFC的研究

權保同

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基于改進型平均電流控制的單相無橋PFC的研究

權保同

（安徽理工大學電氣與信息工程學院，安徽 淮南 232001）

功率因數校正（PFC）電路可以提高功率因數和抑制諧波污染，其利用電力電子變換技術來實現功率因數校正的功能。本文介紹了單相無橋PFC電路的優點及工作原理，采用改進型平均電流控制方法控制它的運行，設計了相應的電路參數，采用此控制方法可以使系統總諧波畸變率（THD）減小。通過PSIM仿真軟件建立電路模型并進行仿真實驗，結果表明，該控制方法可以使輸入電流與輸入電壓達到同相位的同時，使系統THD減小，這驗證了該方法的優越性。

功率因數校正；平均電流控制；PSIM仿真

隨著電力電子設備迅速普及，非線性元件得到廣泛應用，使輸入電流波形發生畸變，同時夾雜著大量的高次諧波分量，嚴重影響了電網的運行安 全[1]。解決這一問題的有效方法是對用電設備進行功率因數校正，PFC主要的控制策略有滯環電流控制、峰值電流控制及平均電流控制[2-3]。①滯環電流控制實現簡單，但濾波器體積較大且開關頻率不能保持為定值，使其受負載影響較大；②采用峰值電流控制的較大，其采樣電流往往夾有噪聲，會導致比較器誤動作；③平均電流控制是目前PFC中應用最多的一種控制方法，它對噪聲不敏感、穩定性高，因而得到廣泛應用[4-5]。

平均電流控制是電壓外環、電流內環的控制方式，電壓環決定PFC系統的動態特性，電流環決定系統的穩定特性[6-7]。電流環是影響輸入電流畸變的主要因素，所以電流環設計的好壞直接影響著輸入電流的畸變程度和總諧波含量，而改進后的平均電流控制可以降低電流環帶寬和增益，減輕電流環的負擔。

本文主電路選用圖騰級無橋PFC變換器并對其工作原理進行分析，其次對系統控制策略進行優化與設計，最后通過PSIM仿真進行驗證。

1 圖騰級無橋式升壓PFC變換器工作原理

圖1為圖騰級無橋式升壓PFC變換器，其包括一開關臂與一二極管臂，B-S1-D1-S2的旁路二極管與B-S2-D2-S1的旁路二極管分別在交流的正半周與負半周形成二升壓式轉換路徑。

圖1 圖騰級無橋式升壓PFC變換器

圖中D1及D2為低頻切換，直流輸出電壓負端與交流電壓的相對電壓為低頻變動，對共模電流有很大改善，同時該電路使用組件數量較少。

2 電路控制策略優化與設計

2.1 控制策略

圖2 具有前饋控制的雙閉環控制升壓式PFC轉換器

輸入電壓表示如下：

其中輸入電流s的振幅為

系統輸入功率可表示為

（5）

其輸入功率包括有功功率ac與二次無功功率ac2。直流輸出電壓的調整僅與有功功率ac有關，而二次無功功率ac2對電壓調整無作用，但會造成輸出電壓的二次諧波。因此此處電壓內環的調整僅考慮ac，dc表示直流側輸出功率，基于功率平衡可得

亦即

由式（4）及式（7）可得

由式（8）可以看出，o/ea的增益與輸入電壓峰值的平方成正比，由于在全球通用電壓范圍下市電電壓有3倍左右的變化，因此此增益變化將達到9倍，不利于電壓回路誤差放大器的設計。

此時輸入電流可表示為

其中輸入電流的振幅為

由式（7）及式（11）可得

其中

由式（13）可以看出，o/ea的增益不再與輸入電壓峰值的平方成正比，而為一定值，即便市電電壓有3倍左右的變化，電壓回路增益也仍維持不變，因此有益于設計電壓回路誤差放大器。

2.2 電流內環設計

對于雙閉環控制架構，一般內環帶寬要比外環帶寬寬4倍以上，因此雙閉環設計應先設計電流內環，在設計電流誤差放大器之前，需先求出從電流誤差放大器輸出到感測電感電流的小信號模型。在輸入電壓正半周時，由圖2可得

此處的a為調制比，可表示為

式中，con表示調制波幅值，t表示載波幅值。

將式（16）代入式（15）可得

其中：

在輸入電壓負半周時，由圖2可得

將式（19）與式（21）代入式（20）可得

綜合式（17）與式（22）可得

根據式（23）可繪出電流內環控制方塊圖，如圖3所示。

圖3 電流內環控制方塊圖

2.3 加入前饋控制的電壓外環設計

PFC轉換器一般被應用在如圖4所示的兩級式電路，其前級為PFC轉換器電路，后級為DC-DC轉換器。在穩態時，其交流側有功功率ac與直流側輸出功率dc相等，當負載變化的一瞬間，輸出電流o的變化會使ac與dc出現短暫的不相等，這時會造成輸出電壓d的變化。若對兩級式電路的小信號模型只考慮穩態時刻，則由圖4系統的小信號等效電路可表示為如圖5所示。

圖4 在單位功率因數下的等效電路

圖5 小信號等效電路

由圖5可得

由式（12）與式（24）可得

根據式（25）可繪出電壓外環控制方塊圖，如圖6所示，其中：

3 系統仿真

圖騰級無橋式升壓PFC轉換器的電路參數如下：輸入電壓有效值為40V，頻率為50Hz，輸出直流參考電壓為70V，輸出功率最大為115W，電感為1.3mH，電容為330mF，s為1/3.375，v為1/82.85（d感測），v為1/162.2（s感測），負載電阻為98W。定時時間為3s，3s后負載發生變化。

其所建立的仿真電路如圖7所示。仿真結果如圖8所示。

s為輸入電流，單位為A，為便于觀察輸入電流與輸入電壓的關系，s1為輸入電壓s縮小80倍后的電壓，單位為V，為系統的總諧波失真，d表示直流側輸出電壓，單位為V，s1表示電感電流，它與輸入電流呈線性關系，單位為A，sc表示電流內環的基準參考電流，單位為A。

圖7 圖騰級PFC轉換器的仿真電路

圖8 仿真結果

由圖8（a）和（b）可知，平均電流控制方法與改進的平均電流控制方法均能達到輸入電流與輸入電壓同相位，但改進型平均電流控制動態響應較快；由圖8（c）和（d）可知，輸入電流的總諧波畸變率由原來的約1.1%左右降低至0.1%左右，輸入端總諧波畸變率明顯減少，實現了能源的“綠色化”；由圖8（e）可知，輸出平均電壓在70V左右，在3s時負載發生變化，輸出電壓也能保持良好的動態響應，達到了較為滿意的效果；由圖8（f）可知，電感電流能緊密跟隨參考電流。綜上所述，改進后的平均電流控制方法能達到一定的效果。

4 結論

本文提出了一種改進型平均電流控制策略，分析了電路的工作原理和控制策略，設計了電壓內環與電壓外環。上述的仿真結果表明，基于改進型平均電流控制的單相無橋PFC電路能使輸入電流緊密跟隨輸入電壓，而且它的相對較小，使PFC系統性能得到優化。

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Research on single phase bridgeless PFC based on improved average current control

Quan Baotong

(Anhui University of Science and Technology, School of Electrical and Information Engineering, Huainan, Anhui 232001)

The power factor correction (PFC) circuit can improve the power factor and suppress harmonic pollution. It uses the power electronics conversion technology to achieve the power factor correction function. The advantages and working principles of the single-phase bridgeless PFC circuit are introduced. The improved average current control method is used to control its operation and the corresponding circuit parameters are designed. Using this control method, the total harmonic distortion ratio (THD) can be reduced. The circuit model was established by PSIM simulation software and simulation experiments were conducted. The results show that the control method can make the input current and input voltage reach the same phase, while reducing the system THD, verifying the superiority of the method.

power factor correction; average current control; PSIM Simulation

2018-03-23

權保同（1992-），男，河南南陽人，碩士研究生，主要研究方向為電力電子與電力傳動。

安徽理工大學創新基金項目（2017CX2098）