單周期控制的三相PFC技術研究

黃冠 萬里

（1、西南交通大學,四川 成都 610000；2、成都電業局，四川 成都 610000）

1.引言

單周期控制是一種非線性控制技術，該控制方法的突出特點是:無論是穩態還是暫態，它都能保持受控量(通常為斬波波形)的平均值恰好等于或正比于給定值，即能在一個開關周期內，有效的抵制電源側的擾動，既沒有穩態誤差，也沒有暫態誤差，這種控制技術可廣泛應用于非線性系統的場合，比如脈寬調制、諧振、軟開關式的變換器等[2-5]，為達到理想的功率因數校正的目的，本文研究了一種基于單周期控制的三相三開關PFC電路，并根據分析所得，對電路進行了建模和仿真。仿真結果給出了輸入電流與輸入電壓的波形，并分析了不同情況下對輸入電流的影響。根據電路原理以及電路仿真，搭建了1KW的實驗裝置，對實驗波形進行了分析。

2.功率因數校正電路的分析

在三相電源領域中，人們提出了許多的電路拓撲結構和控制方法。本章給出了一種基于單周期控制的三相三開關PFC電路。重點分析了其工作原理與采用的控制方式，并通過實驗和仿真驗證其正確性。圖一包括三個輸入boost電感L1～L3，工作于電流連續導電模式（CCM），其中6個MOS開關器件及6個二極管等效構成三個雙向開關[6]。由于三相電路的對稱性，電容中點電位UN與電網中點電位UO近似相等，因此通過控制三個雙向開關的通斷可分別控制相應相的電流。開關合上時相應相的電流幅值增大，開關斷開時相應橋臂上的二極管導通 (電流為正時，上橋臂二極管導通；電流為負時，下橋臂二極管導通)，在輸出電壓作用下電感中電流減小，從而實現對電流的控制[7]。

圖1

3.單周期控制技術

單周期控制技術的特點就是要保證變換器的輸出電壓在每一個開關周期內都等于給定參考電壓。當給定參考電壓為常數時，變換器輸出也等效成穩定的直流電源。因此單周期控制技術具有直流輸出電壓調節性能好的優點。與傳統電壓反饋控制相比，單周期控制的動態響應快，抗電源干擾能力強，魯棒性強，適用于恒頻恒寬控制，在整流器PFC校正電路中有廣泛應用。文獻[9]介紹了單周期控制技術在單相Boost PFC和三相Buck PFC的應用。本文把單周期控制技術應用到三相三開關PFC電路中。

由上文討論可知，三相三開關PFC電路中，其控制方程式可為下式表示：

聯系單周期控制技術的原理，可定義積分常數τ=Ts，并用峰值電感電流iLapk,iLbpk,iLcpk代替上式中的ia,ib,ic,故上式可以化為

基于以上理論分析，通過設計適當電路來實現上式的等式關系，即可達到功率因數校正的目的。

4.實驗電路的設計

主電路的設計主要包括主開關器件的選用,輸入電感的選取，濾波電容的選取等。

系統框圖如圖4.1所示，本電路的主要技術參數為：輸入線電壓有效值：100V輸入電壓的頻率為：50Hz；開關頻率為：5KHz輸出額定功率：1KW；負載電流：3.7A；輸出直流電壓：275V；本實驗所采用的芯片為M57959L。M57959驅動器輸入經高速光耦隔離（絕緣強度2500VAC/1min），與TTL兼容。

圖2

5.實驗與仿真

用PSPICE軟件對該電路進行了仿真實驗，將所研究的基于單周期控制的三相三開關PFC電路進行了主電路和控制電路的仿真，仿真波形與理論分析結果基本一致。

在原理分析和電路仿真基礎上，搭出了本文所研究的三相PFC電路，并進行了相關實驗，實驗中首先輸入線電壓為50V，圖4為不加驅動信號的輸入電流波形，圖5為采用單周期控制之后的輸入電流波形，可以看出電流波形有明顯改善圖，圖4的電流波形THD為14.45%，圖5的電流波形THD為7.895%。

圖4 輸入電流波形(未加PFC環節)

圖5 輸入電流波形（加PFC環節）

圖6 輸入電流波形(未加PFC環節)

圖7 輸入電流波形(加PFC環節)

圖8 鋸齒波波形

圖9 整流后輸入電流反饋

增大輸入電壓至100V，輸出電壓為275V，負載為75Ω，圖6為不加功率因數校正環節的輸入電流波形，圖7為加入功率因數校正環節后的輸入電流波形。圖8為給定鋸齒波波形。圖9為整流后反饋電流波形。用wavestar軟件分析輸入電流波形后，可以知道未加功率因數校正環節時，其電流波形THD為32.77%，加入功率因數校正環節后，其輸入電流THD為9.188%，比較而言，可知其得到了很大的改善。與仿真實驗波形對比來看，實驗所得的輸入電流THD還比較大，分析而言，主要原因就是因為實驗中采用了一系列的磁性元件和電容，在電路高頻工作中產生了很多擾動，在實驗中，實驗的裝置結構還不夠合理，電路板的抗擾動特性還不是很完善，還有一點就是電網輸入相電壓的波形本身的THD就比較大，也相應的導致了輸入電流的畸變。

結論。提出了一種提出了一種由單周期控制的三相三開關的功率因數校正電路，對其進行了分析、仿真及實驗研究，得到了滿意的效果。本電路采用了高頻工作模式，因此不可避免的帶來了一定功率損耗，設計中抗干擾的設計還不是很完善，還有待進一步的改良。綜上所述，雖然該電路還存在一些缺點，但是該電路仍然是一種控制簡單，功率因數校正效果好的三相整流電路，具有一定的實用價值。

[1]Chongming Qiao,Keyue M.Smedley.A General Three-phase PFC Controller PartII.for Rectifiers with a Series-Connected Dual-Boost Topology.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS.1999，48(1)：2512～2519.

[2]K.Hirachi,M.Nakaoka.Novel PFC converter suitable for engine-drivengenerator-interactive three-phase power systems.IEEE TRANSACTIONSON INDUSTRIAL ELECTRONICS，1999，146(2)：253～260.

[3]魏煒.一種改進的三相boost型雙管PFC變換電路的研究：[碩士學位論文].武漢：華中科技大學圖書館，2005.

[4]張厚生.基于單周期控制的高功率因數整流器的研究[D].西北工業大學[碩士學位論文].2005.

[5]胡宗波，張波，胡少甫等.Boost功率因數校正變換器單周期控制適用性理論分析和實驗驗證.中國電機工程學報，2005，25(21)：19～21.

[6]UweDROFENKIK,Johann W.KOLAR.Com－parison of Not Synchronized Sawtooth Carrier and Synchronized Triangular Carrier Phase Current Control for the VIENNA RectifierI.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS,1999,3(2)：13～19.

[7]陳延明，楊興龍，萬忠東等.基于單周控制的有源功率因數校正電路設計.電力電子技術.2006，40(4)：89～90，119～120.

[8]金愛娟，李航天，李少龍.基于單周期控制的三相PFC整流器在輸入電壓不對稱時的改進策略.電工技術學報.2006，21(7)：115～120.

[9]K.Mino，M.L.Heldwein，J.W.Kolar.Ultra CompactThree-Phase Rectifier with Electronic Smoothing Inductor.IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRIAL ELECTRONICS，2005，58(4)：522 ～528.