級聯H橋Boost PFC電源建模及應用研究

張佩炯，瞿 明，金麗娜，蘇宏升

(1.蘭州資源環境職業技術學院水利與電力工程學院，甘肅 蘭州 730022；2.蘭州交通大學自動化與電氣工程學院，甘肅 蘭州 730070)

隨著電力電子變流技術中非線性元器件的廣泛應用，使得系統諧波電流不斷增大，從而導致輸入電流畸變較為嚴重，諧波一旦涌入電網后，則輸入端功率因數下降，進而使得電能質量降低。功率因數調節器(Boost PFC)可降低電力電子設備系統對公網的諧波污染，具有體積小、成本低等優點。Boost PFC通常的工況趨于電感電流斷續導電模式(DCM)和電感電流連續導電模式(CCM)之間，在這種工作模式下，由于沒有二極管反向恢復損耗，因而在中、低功率場合應用極為廣泛[1]。

傳統的Boost PFC調節器在固定占空比時，是按周期切換的，開關頻率是固定的，雖然功率因數在系統運行初期時較高，但隨著負載與輸入電壓不斷變化，輸入電流波形畸變度與標準正弦電流波形相比較大，同時紋波也相應產生，從而使輸入功率因數降低。文獻[2]提出了一種通過單位功率因數來改變占空比函數模型，但對于這種函數模型要實現電路模型的話很復雜。文獻[3]通過利用數控芯片DSP TMS320LF2407實現了改變占空比，但需要在每一個開關周期內計算一次占空比，數控芯片的運算速度快，但價格成本較貴，且很難獲得較高開關頻率。文獻[4]利用泰勒級數展開的方式對占空比函數進行處理，展開后與占空比函數擬合度進行比對，從而優化電路結構，實現了功率因數的提高。但假如在輸入電壓等級提高時，擬合偏差性較大，波形畸變嚴重，導致功率因數較低。

把兩個或者多個調節器級聯而成，可以很大程度上提高電壓增益，功率調節器的輸入電壓區間也大大拓寬[5]。級聯H橋在移相脈寬調制技術方面得到廣泛應用，為了采取這種調制方式，每個H橋采用傳統的單極PWM和帶頻率fc的三角形載波[6]。在級聯H橋功率調節器基礎上，本文提出了一種具有自動調節功能的級聯H橋開關周期平均模型，該模型在Boost PFC調節器穩態運行時控制著升壓變換器的電感器。在開關的通斷時間內，輸入和輸出電壓的差值通過變換器的電感器，而在關斷時間內，輸出電壓通過負極性電感器。通過時均開關模型，可以自行調節功率調節器的占空比，從而依據輸入電壓和負載的變化來調節合適的功率因數，輸入電流紋波含量大幅減少，波形畸變度得到了大幅改善。通過LTspice軟件仿真以及樣機實驗驗證，證明了本文提出研究模型的有效性和先進性。

1 工作原理

1.1 傳統Boost PFC電路拓撲結構及工作模態

輸入端送入交流電，經過濾波整流裝置后，輸出的直流電直接加載到負載兩端[7]。雖然說輸入的電流是以正弦信號載入的，但電流還是在種種原因下發生了畸變。在這種情況下，我們一般利用PFC技術來提高電網網側的功率因數，來減少紋波擾動以及諧波含量。傳統單相Boost PFC電路拓撲結構如圖1所示。

圖1 固定占空比控制的DCM Boost PFC電路拓撲結構

從電路拓撲結構圖可以看出，該拓撲結構主要包含電壓外環和電流內環兩部分，輸出以電壓信號反饋，輸入以電流信號反饋。主要元器件有電感L、開關管Q、續流二極管VD、電容C和負載電阻R。其基本工作原理為：參考電壓Vref減去輸出電壓vo得到誤差電壓vc，電壓控制環控制器的輸出與輸入電壓vin相乘后得到參考電流iref，iref減去電感電流iL后經過PI控制器與開關管Q的載波進行比較，得到驅動開關管Q的控制脈沖。因此，外環控制平穩電壓輸出，隨著輸入電壓波形和相位變化，內環電流隨著輸入電壓波形和相位而改變[7]。

在DCM-CCM模式下一個周期里，調節器的工作模態有3種：分別為模態I、模態Ⅱ、模態Ⅲ。其中模態I為斷開開關管Q，導通二極管VD；模態Ⅱ為導通開關管Q，關斷二極管VD；模態Ⅲ是同時關斷開關管Q和二極管VD。傳統Boost PFC在DCM模式下的工作過程如圖2所示。

1.2 DCM模式下時均模型修正函數方程

為了推導出DCM模式下時均模型修正函數方程，首先定義了變量：Ui為輸入電壓；Uo為輸出電壓；D為占空比；Ts為開關周期；Δ1為電流衰減到0的周期分量。

圖2 傳統Boost PFC在DCM模式下的工作過程

1.3 基于開關周期平均模型控制的級聯Boost PFC變換器

單開關級聯Boost變換器是由n個級聯單元構成，其中功率管由二極管代替，為了降低輸入電流的諧波，提高輸入功率因數，控制環節采用基于時均開關模型的PI控制，拓撲結構如圖3所示。圖中虛線框中的是級聯單元，級聯單元的個數直接影響著調節器的電壓增益和輸入電壓范圍，對減少諧波含量，降低輸入電流的紋波，提高Boost變換器功率因數是有效的。

圖3 基于開關周期平均模型控制的級聯DCM Boost PFC電路拓撲結構

級聯單元控制環節依然采用電壓電流內外環控制，與傳統控制策略的不同在于電壓外環采用PI控制，而電流內環則采用基于時均開關模型的比例諧振控制，控制框圖如圖4所示，其中虛線框中為級聯控制單元。用電壓指令u*o減去各級總輸出電壓，經GV(s)后的輸入電流幅值指令I*in，再乘以輸入電壓相位θ，得到輸入電流指令i*in，最后i*in減去輸入電流iin，經GI(s)輸出得交流側電壓占空比d，而這個占空比d的值會反饋到級聯控制單元。其指標是要求總的輸出電壓保持不變，促使輸入側功率因數提高且動態響應較快，從而維持了輸出電壓平衡。

圖4 基于開關周期平均模型PI控制DCM Boost PFC控制框圖

2 仿真分析

為了驗證級聯開關周期平均模型控制DCM Boost PFC的有效性，在LTspice軟件中搭建了仿真模型，仿真模型如圖5所示，各項參數指標值由模型圖中可見，均已在軟件中設置。由于功率因數矯正電源不但受輸入電流波形的影響，同時也受直流輸出電壓反饋控制的影響，因此為了讓諧波含量降低，提高功率因數，必須采用滯環控制器，并且在外環反饋控制中要控制正弦輸入電流的峰值。各項指標的仿真波形如圖6、圖7、圖8所示。

圖6中V_out Switch mode及V_out Time averaged分別代表普通開關模式下和級聯時均模型下的電壓變化，I_Ind Switch mode及V_out Time averaged分別代表普通開關模式下和級聯時均模型下的電流變化。由圖6可以看出，在DCM到CCM過渡時，基于開關周期平均控制模型的Boost PFC電壓電流的輸出軌跡圍繞在以固定占空比控制Boost PFC軌跡的中心，它的幅值大小由PWM滯環控制器的百分比來確定。假如滯環的寬度減小，將導致有很高的開關頻率產生。

圖5 開關周期平均控制DCM Boost PFC仿真模型

圖6 DCM到CCM過渡中固定占空比和開關周期模型控制Boost PFC電壓電流的輸出軌跡

圖7 開關周期平均控制DCM Boost PFC輸出電壓和電感電流仿真波形

圖8 開關周期平均控制DCM Boost PFC負載電流仿真圖

圖7、圖8中Output Voltage及Inductor current分別代表輸出電壓和電感電流的變化，Sine-wave shaped inductor current代表級聯時均開關模型的負載電感電流呈正弦波變化。由圖7、圖8可以看出，在采用開關周期平均控制DCM Boost PFC時，通過電感電流的波形是標準正弦波，通過開關周期平均模型控制，該電路能將功率因數提高到0.9。并且在開關控制時間上有很大的縮減，傳統固定占空比的開關控制需要74 s，而采用級聯H橋開關周期平均控制時只需800 ms。

3 實驗驗證

為了驗證所提出模型在實際電路中的有效性，分別對傳統Boost PFC調節器和開關周期平均模型的級聯Boost PFC變換器進行實驗比對驗證。圖9為單相低壓六單元級聯實驗樣機。每個電源模塊單元由4個IRFP4227電力場效應管組成，級聯Boost PFC變換器由F28377S評估板構成。微處理器的運行頻率為200 MHz，在微處理器上還配備裝設了與處理器同頻率的加速控制器，開關管型號為IPW50R190CE，二極管為MUR1560。樣機參數第1組位：fs=50 kHz，fline=50 Hz，L=100 μH，Po=120 W。樣機參數第2組位：fs=400 kHz，fline在90～264 Hz之間，L=470 μH，Po=1 000 W。

圖9 單相低壓六單元級聯H橋實驗樣機

由圖10可以看出，當占空比按照周期性固定不變控制時，隨著交流輸入電壓的增大，傳統控制DCM Boost PFC調節器的紋波增多，輸入電流波形畸變也明顯增大。

圖10 傳統按周期切換固定占空比控制DCM Boost PFC變換器實驗波形

由圖11可以看出，當占空比通過級聯H橋開關周期平均模型控制時，隨著交流輸入電壓的增大，級聯H橋開關周期平均模型控制DCM Boost PFC調節器的輸入電流波形幾乎無畸變，且仍按照正弦規律變化。將圖11(a)和(b)的波形進行比對，可以看出，Vin=90 V時的輸入電流波形畸變要比Vin=110 V時的小，在Vin=90 V時，級聯H橋開關周期平均模型控制的占空比擬合效果優于傳統按周期性固定控制占空比，且輸入電流波形的畸變更微弱。

圖12為級聯H橋時均模型控制DCM Boost PFC調節器在不同負載時的功率因數波形曲線圖。由圖12可看出，負載從輕載到重載輸出時，級聯H橋開關周期平均模型控制DCM Boost PFC變換調節器的功率因數都接近1。

圖11 開關周期平均模型的級聯DCM Boost PFC變換器實驗波形

圖12 級聯H橋開關周期平均模型控制DCM Boost PFC調節器在不同負載時的功率因數

4 結論

為了大大減少輸入電流的紋波，有效降低諧波含量，提高功率因數，提出了一種具有自動調節功能的級聯H橋開關周期平均模型。該模型對功率因數調節器控制時，優化計算速度快。實驗結果表明，當負載從輕載到重載輸出時，級聯H橋開關周期平均模型控制DCM Boost PFC變換調節器的功率因數都接近于1。通過實驗結果驗證了所提出的級聯開關周期平均控制模型的有效性。