雙Boost—PFC穩壓控制策略研究

馬健

【摘要】提出一種基于非線性的調節方法，設計均壓環，解決PFC輸入電流諧波增大以及母線電壓超調明顯、震蕩時間過長造成升壓控制不穩定的問題。

【關鍵詞】雙Boost-PFC；穩壓；均壓環

1.PFC整流技術

有源功率因數校正APFC（Active Power Factor Correction）的基本電路由兩大部分組成：主功率電路和控制電路，其基本思想是：將輸入的交流電壓進行全波橋式整流，對得到的整流直流電壓進行DC-DC變換。通過相應的控制（PWM調制）使輸入電流平均值自動跟隨全波整流電壓基準，呈正弦波形，且相位差為零，輸入阻抗呈純阻性，從而使功率因數趨近于1。

1.1 PFC工作原理

任何一種DC-DC開關變換器拓撲都可用作PFC的主功率電路。而升壓式（Boost）變換器由于具有電感電流連續、儲能電感也兼做濾波器可抑制RFI和EMI噪聲、電流波形失真小、輸出功率大及共源極、驅動電路簡單等優點，應用于PFC更為廣泛?，F有的PFC電路一般都采用雙環控制，內環為電流環，用來實現DC-DC變換器的輸入電流與全波整流電壓波形相同；外環為電壓環，可保持輸出電壓穩定，從而使DC-DC變換器輸出端成為一個直流電壓源。經過校正的輸入電流經PWM脈沖寬度調制，使原來呈脈沖狀的波形，被調制成接近正弦（含有高頻紋波）的波形。在一個開關周期內，當開關導通時，電感電流等于開關導通電流。當開關關斷時，流過開關的電流為零。含有高頻紋波的輸入電流，經過低通濾波網絡，取每個開關周期內的平均值，則可得到較光滑的近似正弦波。

1.2 平均電流控制

PFC系統增加了一個電流內環，輸入電流的采樣與電流給定信號（電壓調節器的輸出）比較，產生的誤差信號做調節器（一般為PID）的輸入，調節器的輸出做為參考波，而用一個恒頻鋸齒波做為載波，兩個信號送入比較器，比較器的輸出控制驅動電路使開關管導通或關斷。這種方法集中了峰值電流控制的恒頻控制優點和滯環電流控制的精度優點，在保證極低的輸入THD的同時，簡化了輸出濾波器的設計，且因為有電流控制器做調節，取的是平均電流，所以提高了系統在噪聲干擾下的穩定度和精度。這種控制方式的優點是：恒頻控制，工作在電感電流連續狀態，開關管電流有效值小、EMI濾波器體積?。荒芤种崎_關噪聲；輸入電流波形失真小。主要缺點是：控制電路復雜，需用乘法器和除法器，需檢測電感電流，需電流控制環路；參考電流與實際電流的誤差隨著占空比的變化而變化，可能引起低次電流諧波。

2.關鍵技術均壓環的設計

均壓環的設計，是為了保證輸出正負直流母線電壓平衡。其控制思路為：檢測正負母線偏差量，并將其輸出的調節量，疊加在電流環基準上，以此改變母線電壓幅值，從而達到控制母線平衡的目的。

其中，為均壓控制器輸出，為達到“輸入電流諧波≤5%”“輸入功率因數≥0.99”的指標，必須保證低次諧波含量足夠低。

在傳統的控制方式中，均壓控制器通常采用比例積分控制器形式，來滿足母線平衡的控制需求，同時為了防止引入低次諧波，會采用較低的帶寬，以平滑均壓控制器的輸出。這就相當于在調整速率和輸入電流諧波兩個指標之間進行平衡。這樣的問題在單相交流輸入系統中尤其凸顯，均壓環速度快，勢必引起輸入電流諧波的增大；而均壓環速度慢，則導致母線電壓超調明顯、震蕩時間長。在實際生產過程中，使用一種非線性的調節方法來解決該問題。其基本思路為：在正負母線電壓偏差較小時，采用低帶寬的控制器；而當正負母線電壓偏差較大時，采用高帶寬的控制器，以達到調整速度與輸入電流諧波兼顧的目的。

通過以上函數設計，使用該控制器可將原有輸出與誤差的線性關系，轉變為指數關系。即當誤差足夠小時，控制器的輸出可近似為積分環節的輸出，其低次諧波含量很小；而隨著誤差的增大，調節器的輸出中，比例環節的作用呈現指數曲線增大趨勢，即帶寬呈指數曲線增大。

3.試驗結果

3.1 仿真驗證結果

假設KP=1；Ki=0.001，當誤差為1～6之間時，可得到控制器的波特圖如下。由圖可知，誤差增大過程中，帶寬增益顯著增大；而當誤差小于1時，帶寬顯著降低，如圖1所示。利用以上特性，可在控制器設計過程中找到一個誤差臨界點。在臨界點以上使用高帶寬的調節方式，確保系統快速穩定；在臨界點以下，使用低帶寬調節方式，使得輸出量低次諧波含量更低。

3.2 參數驗證結果

通過比較可以看出，改進型PI控制方式可以提高輸入功率因數，減小輸入電流諧波，同時電壓無明顯波動，起到了預期的電壓控制效果，實現了穩壓目的。

4.結論

本文提出了一種用于UPS的雙Boost PFC穩壓控制策略，改進了均壓環電路設計，運用PI調節實施控制，實現了穩壓目的。

參考文獻

[1]王敏利，湯天浩，陳昆明，祝國平.基于導抗變換的DC/DC變換器的研究[J].變流技術與電力牽引，2008（02）.

[2]張曉東.基于PWM有源逆變器的內反饋串級調速系統的仿真研究[D]：華北電力大學（北京），2010.

[3]王寧斌.Boost變換器的控制與研究[學位論文].西安：西安理工大學，2008.

注：本文是河北省高等學?？茖W技術研究項目雙BOOST-PFC及三電平逆變數字控制算法的優化研究（項目編號：QN20131174）的成果之一。