無橋有源功率因數校正系統軟啟動方法研究*

劉 洋 夏益輝 張俊洪 陳珞珈

（海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033）

1 引言

隨著手機、筆記本和電動汽車等廣泛用于人們的日常工作和生活，人們對其充電裝置的要求也越來越高，而功率因數校正PFC（Power Factor Correc?tion）變換器作為這些充電裝置的重要組成部分，正在朝著高效率、高功率密度和高可靠性等方向發展。

為了提高有源功率因數校正系統的運行性能，國內外很多專家學者對其進行領了深入研究與分析。與傳統基于整流橋的Boost PFC變換器相比，無橋PFC不需要整流橋，降低了損耗［1］。圖騰柱式PFC具有與無橋PFC相同的功率器件［2］，其利用MOSFET自身的體二極管續流，造成反向恢復損耗，不適合采用電感電流CCM控制模式［3］。為了降低反向恢復損耗，提出了多種有源功率因數校正拓撲結構和控制方法［4～11］。但是，這些拓撲結構都需要檢測輸入電壓正負極性，使得系統成本增加和控制復雜。

無論無橋PFC還是傳統基于整流橋的Boost PFC，其在起動時都不可避免地會產生沖擊電流，為了降低沖擊電流，確保功率器件安全，很多文獻提出在主電路中串聯限流設備如溫敏電阻或溫度系數裝置等，雖然能夠降低起動電流，但會造成系統效率降低和成本增加。部分文獻通過在負載電流流通路徑串聯電容來減小Cuk、Seopic和諧振型PFC等變換器的起動電流，同樣存在降低起動電流有限、無源器件增加、效率降低和成本增加的問題［12～16］。為此，文獻［17～18］提出一種新型諧振PFC變換器，無需整流橋且具有一定的抑制起動電流的能力，但其只適用于小功率無橋PFC系統，降低其應用范圍，同時由于系統起動過程中，直流側電壓上升速度與起動電流以及系統動態響應存在一定的矛盾，對于電流控制策略缺少詳細的論述，抑制起動電流能力仍須進一步提升。此外，文獻［19～20］對有源功率因數校正系統也進行了分析。

本文首先分析了諧振型PFC變換器的基本工作原理；其次，探討了諧振電路參數設計的基本原則及減小起動電流的工作原理；再次，對諧振無橋PFC變換器雙閉環和前饋補償控制方法進行了研究，重點探討了參考輸入電流限幅設計進行了分析；最后對雙閉環和前饋補償控制通過引入參考輸入電流限幅用于諧振無橋PFC變換器的運行性能進行了仿真研究與分析。仿真結果表明對雙閉環和前饋補償控制通過引入參考輸入電流限幅，可以有效降低起動電流，同時對輸入電流諧波和輸出電壓紋波系數具有一定的抑制效果，仿真結果與理論分析基本一致，證明了理論分析是正確的和所提方法是可行的。

2 諧振PFC變換器基本結構和工作原理

2.1 基本結構

圖1（a）、（b）分別為傳統無橋和諧振無橋PFC電路，傳統無橋PFC電路由濾波電感L、支撐電容C、方向二極管D1、主電路功率器件D3、D4和S1、S2組成，諧振無橋PFC電路在傳統無橋PFC電路上，增加了一諧振電路，由諧振電容Cr、諧振電感Lr和續流二極管D2組成。其中，濾波電感L用于濾除高頻諧波電流，功率管S1和S2用于實現泵升，二極管D1用于確保電網向支撐電容C和負載供電以及避免儲能向電網倒灌，諧振電容Cr用于降低起動電流，其和諧振電感Lr和二極管D2用于在每個開關周期將電容Cr儲能釋放。由文獻［17，18］可知，當諧振頻率fr低于開關頻率fs時，系統功率損耗較小，因此，本文基于諧振周期小于開關周期的軟起動方法進行分析。

圖1 諧振PFC變換器基本結構

2.2 工作模式和升壓原理

1）工作模式

與傳統無橋PFC變換器相比，諧振型無橋PFC變換器無需輸入電源Ua極性判斷，功率管S1和S2驅動信號相同。圖2為調制模式和輸入電流、諧振電流波形。圖中ton、toff分別為一個開關周期Ts內的導通時間和關斷時間。

圖2 調制模式和輸入電流、諧振電流波形

假定輸入電壓極性上“+”下“-”，諧振型無橋PFC變換器工作狀態如圖3（a）、（b）和（c）所示。

圖3 諧振型無橋PFC工作狀態

t0-t1時刻：S1和S2導通，Ua經L、S2和D4形成回路，L開始儲能；電容Cr兩端電壓經S1、S2、D2和Lr形成放電回路，在t1時刻，諧振支路icr電流為0；負載由電容C供電。電壓方程如下：

t1-t2時刻：S1和S2繼續導通，電感L繼續儲能，同時諧振支路停止放電，Vcr=0。電壓方程如下：

t2-t3時刻：S1和S2關斷，電感L儲能和輸入電源Ua共同向電容C充電和負載供電。電壓方程如下：

2）升壓原理

諧振型無橋PFC變換器工作在兩種模式：諧振模式和PWM模式，由圖2、圖3可知，功率管開通時儲能、關斷時向負載供電和電容C充電，因此，其升壓原理與Boost變換器相同，輸出電壓Ucd與輸入電源電壓Ua之間的關系如式（4）所示。

其中，D為占空比，D=ton/Ts。

3 諧振電路參數設計

3.1 起動電流影響因素分析

圖4（a）、（b）分別為傳統無橋和諧振無橋PFC等效起動電路。假定輸入電源上“+”下“-”，忽略負載電阻R影響，此時可知起動電流表達式為

圖4 有無諧振無橋PFC等效電路

為了減小起動電流，在傳統無橋PFC電路上，增加了諧振電路，如圖1（b）所示。由于C>>Cr，線路中由電容引起的容抗由諧振電容Cr決定，等效電路如圖4（b）所示，圖中同樣假定輸入電源Ua上“+”下“-”，此時起動電流表達式為

由上式可知，與傳統無橋PFC電路相比，串聯諧振無橋PFC電路的起動電流明顯減小。

3.2 諧振電路參數設計

由式（6）可知，可以通過減小諧振電容Cr和增大濾波電感L來減小輸入電流，但濾波電感增大會增大系統體積和成本且對系統穩定性也有影響。振電容與其電壓峰值Vcrmax之間關系如式（7）所示［17］：

由式（7）可知，諧振電容大小與其耐壓值密切相關：Cr值小，起動電流小，但尖峰電壓大，要求電容高耐壓；Cr值大，起動電流大，尖峰電壓小，電容耐壓低。此外，諧振電容受諧振頻率影響，必須滿足如下關系：

由此可知，諧振電容主要受諧振頻率、電容電壓峰值和最大起動電流影響，因此，諧振電容和電感參數時應滿足如下約束條件。

4 雙閉環和前饋補償的改進控制策略

諧振電路雖然可以有效降低起動電流瞬時大小，但在直流電壓上升過程中，直流電壓上升比較緩慢，加之濾波電感存在儲能，使得系統電壓上升過程中，不可避免地會產生過電流現象。為了有效抑制直流側電壓上升過程中過電流的產生，對基于電壓電流雙閉環和前饋補償的控制策略進行了改進：電壓環輸出參考電流進行限幅。圖5為基于電壓電流雙閉環和前饋補償的無橋PFC電路軟起動控制策略。

圖5 雙閉環和前饋補償改進控制框圖

圖中由于直流側電壓存在波動，為了提高系統穩定性，對直流側采樣電壓進行低通濾波處理之后再進入電壓閉環控制；諧振PFC變換器不需要輸入電壓極性檢測，因此參考輸入電流采用單位輸入電壓絕對值與電壓環輸出電流幅值相乘作為參考電流，參考電流與采樣輸入電流的差值經PI控制器作為功率器件的導通時間，并將其與前饋補償1-abs（Ua）/Udc_ref之和作為最終占空比。

對于限幅控制，可根據系統功率和起動電流允許值進行設計。為了減小起動電流和確保系統迅速正常工作，同時兼顧系統電磁兼容要求，忽略功率損耗，由輸入輸出功率守恒得：

功率器件電流選擇時，通常選取為系統電流的1.5倍左右，為了保證系統具有較快的動態響應速度、確保系統無過流現象發生和考慮PFC電路起動時間比較短的特點以及功率器件安全可靠工作，參考電流限幅選取為功率器件額定電流之下，即Iim≤1.5Io。

5 仿真驗證

利用Matlab軟件搭建了額定功率PN=4kW諧振型無橋有源功率因數校正系統仿真模型，具體參數設置見表1。

表1 無橋PFC電路參數

將Ucd=400V，Ua=220V，fs=50kHz，代入式（8）得fr≥ 55.5kHz，取諧振頻率fr=60kHz。諧振電容Cr兩端電壓Vcr不超過直流側電壓的10%，系統最大起動電流應根據功率器件最大過流能力和時間來確定，選取為功率器件額定電流以下或系統電流1.5倍以下，由此式（11）成立：

由此可得 2.25μF≤Cr≤4.64μF，取Cr=3.3μF，諧振電感Lr=2.13μH。

圖6、圖7分別為傳統無橋PFC系統雙閉環和前饋補償參考輸入電流無限幅和有限幅控制時的輸入電壓、輸入電流和直流輸出電壓波形。由圖6和圖7可知，參考輸入電流無限幅和有限幅控制時，系統啟動電流均較大，無限幅控制時啟動電流峰值達到190A，有限幅控制時啟動電流峰值為165A，相比與無限幅控制有所減小，輸出電壓紋波系數和輸入電流諧波含量基本相同，仿真結果表明針對傳統諧振無橋PFC系統來講，針對參考輸入電流進行限幅控制時，對起動電流的抑制效果并不明顯。

圖6 傳統無橋PFC系統無限幅控制時輸入電壓、電流和直流輸出電壓波形

圖7 傳統無橋PFC系統有限幅控制時輸入電壓、電流和直流輸出電壓波形

圖8、圖9分別為諧振無橋PFC系統雙閉環和前饋補償參考輸入電流無限幅和有限幅控制時的輸入電壓、輸入電流和直流輸出電壓波形。由圖6和圖8對比可知，輸出側串聯一諧振電路之后，輸出電壓紋波系數和諧波含量也都有所減小，起動電流峰值明顯減小，降為80A，但此時起動電流仍然較大，約為3倍的額定電流，如此大的起動電流勢必會影響功率器件的安全運行，必須進一步減小起動電流。由圖8和圖9可知，諧振無橋PFC系統參考電流進行限幅控制之后，輸出電壓紋波系數和諧波含量與無限幅控制時基本相同，而起動電流峰值由之前80A降為38A，起動電流明顯減小，約為1.5倍的額定電流。仿真結果表明諧振無橋PFC系統通過在雙閉環和前饋補償控制系統中引入參考輸入電流限幅控制，可以有效抑制系統的起動電流，仿真結果與理論分析基本一致。

圖8 諧振無橋PFC系統無限幅控制時輸入電壓、電流和直流輸出電壓波形

圖9 諧振無橋PFC系統有限幅控制時輸入電壓、電流和直流輸出電壓波形

6 結語

通過建立無橋PFC系統起動過程等效電路，獲得了影響起動電流的因素，并在此基礎之上，分析了諧振電路減小起動電流的基本原理；由于諧振電容參數受起動電流和開關頻率的限制，起動電容不能太小，使得系統依然存在起動電流大的問題，為此提出在雙閉環和前饋補償控制中引入參考輸入電流限幅控制的方法，并對傳統無橋PFC和諧振無橋PFC的運行性能進行了仿真對比研究。從理論分析和仿真結果中可以得出以下結論。

1）諧振電路可以減小起動電流，但起動電流依然比較大；

2）雙閉環和前饋補償控制中引入參考輸入電流限幅控制的方法，在傳統無橋PFC系統中抑制起動電流的效果不明顯；

3）雙閉環和前饋補償控制中引入參考輸入電流限幅控制的方法，在諧振無橋PFC系統中具有較好的抑制起動電流效果。