一種新型PFC的控制仿真研究

楊存祥，何康，金楠，馮雪

(鄭州輕工業學院電氣信息工程學院，河南鄭州450002)

一種新型PFC的控制仿真研究

楊存祥，何康，金楠，馮雪

(鄭州輕工業學院電氣信息工程學院，河南鄭州450002)

功率因數校正(PFC)電路是一種提高功率因數、減小總諧波的電路，它利用電力電子變換技術來實現功率因數校正的功能。介紹了單相PFC電路的優點及工作原理，根據其特點，采用分級控制它的運行、輸入側采用網側電流跟隨的方法，并且采用了鎖相環技術保證電流和電壓嚴格同相；輸出側采用重復PI控制策略。采用此控制方法可以使PFC電路在達到傳統整流電路功能的基礎上，進一步提高功率因數、減小總諧波。通過Matlab/Simulink的仿真實驗，驗證了該方法的可行性。

功率因數校正；分級控制；Matlab仿真

隨著經濟的快速發展，大量的直流開關電源正得到越來越多的應用，如果沒有經過功率因數校正，開關電源會對電網造成輸入側波形畸變、功率因數降低等問題。如何提高功率因數，提高電能質量，是學者們現在研究的重點。

隨著GTO、IGBT等大功率電力電子器件發展，電力電子技術應用的范圍越來越廣。有源功率因數校正(active power factor correction，APFC)電路，是指在傳統的不控整流中融入有源器件，使AC側電流在一定程度上正弦化，從而減小裝置的非線性，改善功率因數的一種高頻整流電路[1]。有源功率Boost PFC電路在很多開關電源中都有著廣泛的應用，它有以下優點[1]：

(1)有輸入電感，可以減少對輸入濾波器的要求，并可以防止市電電網對主電路的高頻瞬態沖擊；

(2)功率開關管和輸出電壓共地，控制驅動簡單；

(3)可以在國際標準規定的輸入電壓和頻率的變化范圍內保持正常工作；

(4)開關管的電壓超過輸出電壓值。

本文中功率因數校正(PFC)電路是根據輸入側和輸出側的不同，采用了不同的控制策略來實現變壓器的功能，最后通過Matlab軟件驗證了這種方案的可行性。

1 工作原理

根據有源功率因數校正電路原理圖(圖1)可以看出，交流電源經過射頻濾波器RFI濾波器，由橋式整流實現AC-DC變換，輸出雙脈波電壓，d中的高次諧波由小電容1濾波，在整流器和輸出濾波大電容C之間的Boost變換器實現升壓式DC-DC變換。控制電路采用電壓外環、電流內環的雙閉環結構，在穩定輸出電壓0的情況下，力求使經過整流后的電流與整流后的電壓d波形相同[2]。

圖1 有源功率因數校正電路的控制原理

如果射頻RFI和C的濾波效果足夠好，PWM形成電路的開關頻率足夠高，則電感電流和輸入電流l畸變都很小就越逼近與電源同頻率的雙半波正弦曲線，那么電源端的輸入電流就越逼近與輸入電壓同頻率、同相位的正弦波，實現了功率因數矯正為1的目標[3]。

2 電流控制環

雙閉環控制系統的內環是一個電流控制環，它由電流調節器、PWM比較器和功率轉換電路組成，其作用是迫使輸入電流跟蹤輸入電壓的波形。可導出電流環結構如圖2所示。

圖2 電流環結構

功率轉換電路的傳遞函數為：

PWM調制的傳遞函數為：

PFC控制芯片中都有一個電流放大器CA，由它組成圖3所示的PI調節器。

圖3 電流調節器

其傳遞函數為：

可得電流環開環傳遞函數：

可見這是一個二階無差系統，它可以無差地跟蹤正弦波輸入函數，從而使輸出電流無差地跟蹤的波形。

3 電壓控制環

雙閉環控制系統的外環是一個電壓控制環，其作用是使輸出電壓保持在高于輸入電壓峰值的電平上，這是PFC所必需的，并且可以起到穩定輸出電壓的作用。

包含電流環、乘法器在內的電壓環結構如圖4所示。

圖4 電壓環結構

前向通道傳遞函數：由于電流環是無差的，故：

乘法器輸出：

故有：

得電壓環結構如圖5所示。

PFC芯片中都有一個電壓放大器VA，由它組成如圖6所示的積分調節器。

圖5 簡化電壓環結構

圖6 積分調節器

電壓調節器傳遞函數：

可得電壓環開環傳遞函數：

可見，這是一個一階無差系統，它可以無差地跟蹤單位階躍函數，因此，對于給定REF(定值)，輸出是穩定不變的[4]。

4 PI控制及仿真

本方案在傳統的電壓控制和電流控制的基礎上增加了PI調節和反饋控制，減少了系統功耗，提高了功率因數，并用Matlab/Simulink進行仿真。

仿真參數設置如下：

輸入側：網側電壓220 V，頻率50 Hz，交流側電感3 mH，直流側電容3 mF，對于PI模塊，=0.8，=0.75。

輸出側：電感3 mH，=6，=256。

仿真波形如圖7～圖9所示。

圖7 PFC控制器輸入電壓波形

圖8 PFC控制器輸入電流波形

5 結論

本文以PFC控制電路為研究對象，對它的工作原理進行了簡單的分析，對它的控制策略做了重點分析。根據PFC電路的本身特點，在電壓控制和電流控制的基礎上增加了PI調節和控制，起到了不錯的效果。

圖9 PFC控制器輸出電壓波形

仿真結果顯示，輸入電流具有很高的品質因數，基本為標準的正弦波形，與輸入電壓相位相近，實現了高功率因數。與傳統的控制策略相比，加入PI調節和控制后，提高了系統工作的可靠性，能使功率因數提高到0.98以上，且減少了系統的功耗，仿真結果驗證了該方案的可行性。

[1]葉斌.電力電子應用技術[M].北京：清華大學出版社，2006.

[2]杜少武，張煒.單級功率因數校正器的概述與發展[J].電氣應用，2006(10)：23-26.

[3]鄧超平，凌志斌，楊喜軍，等.新型的單相Buck電路實現功率因數校正[J].上海交通大學學報，2004(8)：32-34.

[4]楊蔭福.電力電子裝置及系統[M].北京：清華大學出版社，2006.

Control strategy research of single phase power electronic transformer

YANG Cun-xiang,HE Kang,JIN Nan,FENG Xue

Power Factor Correction(PFC)was a circuit to improve power factor and reduce total harmonic,power electronic converter technology was used to achieve Power Factor Correction's function.The single-phase Power Factor Correction circuit was introduced,its advantages and the principle of work were expounded.According to the characteristics of the PFC,using hierarchical control its operation,a simple method which following the net side current was elaborated by the input stage,and the phase lock loop technique guarantee strictly in phase current and voltage was adopted.The repeat PI control strategy was used in output side.On the basic of transformer function, the power factor of the PFC could be improved and the total harmonic better could be reduced.The Matlab/Simulink results show that a good performance is owned by the controller.

PFC;hierarchical control;Matlab simulation

TM 643

A

1002-087 X(2015)03-0586-02

2014-08-14

楊存祥(1966—)，男，河南省人，博士，教授，主要研究方向為電氣測量與電機故障診斷技術。