升壓型雙閉環控制有源功率因數校正電路設計

張艷杰

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471000）

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升壓型雙閉環控制有源功率因數校正電路設計

張艷杰

（中國空空導彈研究院，河南 洛陽 471000）

本文在傳統的功率因數校正控制電路研究基礎上，提出了一種應用于中大功率有源功率因數校正電路雙閉環控制方法。該方法采用電壓環和電流環的雙環控制，實現了對功率因數校正電路的控制。本文建立小信號模型以及仿真模對該控制方法的工作原理和工作方式進行分析和研究.最后搭建實際的電路對該控制方法進行了驗證。

功率因數控制；平均電流控制；雙環控制

隨著電力電子技術的快速發展，越來越多的電力電子設備被廣泛應用于軍事、工業以及我們日常生活中。電力設備在給人們的生活帶來極大的便利的同時，也帶來了很多負面的問題。例如，輸入電流中的諧波含量以及輸入電流的畸變會對整個電網造成影響，降低電能的功率和效率。功率因數是反應電氣質量好壞的一個重要指標。功率因數校正技術（Power Factor Correction，PFC）是一項目前非常熱門的電力技術。相對于傳統的無源功率因數校正電路來說，有源功率電路雖然成本和復雜程度比較高，但是它具有體積小、質量輕、功率因數高等優點，現在已經成為研究的熱點。

文獻［7］中講述了單級功率因數校正的應用，通過將DC/DC端以及Boost電路的整合構成單極功率因數校正電路，使電路體積更小且開銷也更小，符合未來的發展趨勢。但是目前的研究主要還停留在小功率的電路中。文獻［10］中通過電容和電阻構成了相位補償網路，可以對電路中容性電容造成的電流超前相位補償，使電壓和電流的相位一致。這種方法大量應用于PFC集成芯片的技術中，在數控系統中還未進行深入研究。文獻［12］中針對傳統功率因數校正電路的開關管做了改觀，利用軟開關來替代傳統的硬開關，在降低了整個電路的功耗的同時也提高了系統的工作效率。

本文對功率因數校正電路進行了深入的分析和研究，在傳統的功率因數校正電路上提出了一種基于雙閉環控制的平均電流型功率因數校正電路，并通過建立數學模型和仿真模型對所要研究的電路進行分析，最后通過實際電路對電路進行驗證。

1 拓撲電路和控制方法選擇

APFC電路的拓撲結構有很多種，包括 Boost變換器，Flyback變換器，Buck-boost變換器，Cuk變換器等，這些電路同DC/DC變換器是一樣的［4-5］。在實際電路的設計中，只要能夠選擇適合變換器的導通比，就能實現從直流電壓到直流電壓的轉換，并最終使輸入電流跟隨全波整流電流、輸出穩定直流電壓。

本文采用了連續電流導電控制模式（CCM）下平均電流控制模式，原理圖如圖1所示。平均電流控制模式主要包括了兩個控制環：電流控制環以及電壓控制環，其中電流控制環是通過調節升壓變換器的占空比，調整輸入電感的電流以保證其跟隨輸出電壓而變化，并使輸入電流波形趨于正弦波形；電壓控制環通過外環的電壓反饋，為了得到穩定可靠的輸出電壓［9-10］。圖中Z是基準電壓，X為輸入整流電壓，Y為輸出電壓誤差放大信號，它們的關系為 Z=XY。其中加入 Ri的目的是為了對輸入電流進行采樣，通過采樣電流對電流環進行控制調節，使輸入電流呈正弦變化。經過乘法器后的基準電流其波形是整流后的半正弦波形，然后基準電流和電感電流采樣被同時送入電流誤差放大器CEA，將CEA的輸出加到PWM比較器的同相輸入端，將鋸齒波信號發生器接入到比較器的反相輸入端，最終通過PWM比較器產生SPWM波來控制主開關K的通斷并決定開關管的占空比，使電感電流趨于平均電流。這樣電流誤差可以被快速且精確的被校正。比較高的電流環的增益寬帶可以確保跟蹤誤差小以及瞬態特性好［10-11］。電壓環的帶寬應要盡可能的大且要和輸入頻率相近，這樣會使輸出電壓的瞬時頻率降低而減小電流失真程度。平均電流控制的電路具有以下優點：電流諧波含量小，EMI抑制噪聲好，電感電流的峰值和平均值之間的誤差小，可以用于比較大的功率電路中，平均電流控制是目前在PFC電路中應用最為廣泛的一種控制方式［12-13］。

圖1　平均電流控制原理圖

從圖2中可以看出，當電感電流增大的時候，通過降低PWM比較器的占空比，從而降低電感電流；反之則通過提高PWM比較器的占空比是電感電流升高。

圖2　平均電流控制時電感電流波形

2 系統模型建立

為了更直接的對平均電流型控制的PFC電路進行分析和研究，本文對系統的主電路和控制電路建立的數學模型，并對其進行小信號模型分析，對非線性元器件線性化處理，有助于電路的實際設計，優化設計參數。

2.1主電路建模

圖3是Boost主電路圖。本文采用的平均電流控制方法的基本思想是通過控制電感電流iL以及輸出電壓Vo來實現對整個電路的控制。首先需要求出外環中的電壓VC以及前饋電壓Vin。所以可得

式中，d是指占空比。

圖3　Boost主電路圖

從主電路圖中還能夠得到輸入輸出電流電壓的關系方程：

整合以上幾式，最終可以得到 Boost電路的小信號模型

2.2控制電路建模

控制電路中的核心控制部件是乘法器，本文列出了對乘法器的交流小信號模型建立的過程。乘法器數學模型為

式中，M（）It是乘法器的輸出信號，K為乘法器系數，in（）Ut為前饋電壓經分壓后的電壓值，c（）Ut是電壓誤差放大器的輸出，（）U t表示前饋電壓有效值。

對乘法器作小信號擾動：

由式（8）和式（9）可以得到乘法器擾動小信號：

電壓環的帶寬要遠遠小于紋波頻率才能使電路的功率因數盡可能的大，這里令

最終得到乘法器小信號模型

其等效電路如圖4所示。

圖4　乘法器/除法器等效電路

3 電路設計

本文設計為3kW大功率PFC電路，電路設計的具體參數輸入電壓為 220V，頻率 50Hz，開關頻率100kHz；通過PFC調制后輸出電壓為400V，輸出電流可達到1A，功率因數理論上達到0.99以上，輸入電流失真小于5%。下面就電路中幾個重要的參數設計進行介紹。

1）升壓電感

為了使紋波電壓最小，在對升壓電感計算的時候，取最小輸入電壓，則有

式中，L表示開關管的工作周期；TS表示開關管的開關頻率；D表示開關管導通的占空比；ΔIL表示大紋波電流，允許最大波動范圍為20%。

最終求得升壓電感，即

本電路最終選升壓電感的值為1.0mH。

2）采樣電阻

電路中反饋電流通過采樣電阻來獲取，為了減小電流在電阻的損耗，一般設置采樣電阻的上的電壓URS=1.0V，此時電阻上的損耗可以忽略不計。

首先要確定電感電流的峰值最大值，當交流端輸入值達到最低且負載滿載的情況下，此時有：

采樣電阻電流值

3）輸出電容的選擇

為了得到比較平滑且紋波系數很小，輸出電壓振幅比較小的直流輸出，輸入電容的選擇尤其的重要，要從電路開關管的頻率、紋波電流、輸出紋波電壓以及維持時間去考慮。通常選擇耐壓值較高、大容量、儲能時間長且工作電壓范圍寬的電解電容。本文根據輸出電容的輸出電壓紋波指標來計算其大小。

得

最終可得到C0為4084μF，試驗中采取 6個680μF電容并聯電路獲得。

4 結果分析

4.1仿真結果分析

本文用 Matlab對電路做了仿真，交流輸入為220V，峰值輸入在198～242V，頻率50Hz，開關頻率20kHz，仿真實驗圖如以下三個圖所示。圖5顯示了電路在輸入220V電壓的時候，PFC電路穩定輸出400V，輸出期間有10V左右的紋波電壓；圖6顯示了電路經過PFC調制后，電壓和電流的相位是處在同一相位上，在最初的時候含有二次諧波造成了比較大的波形擾動，但是當輸出穩定的時候，電壓和電流的波形正弦形態非常好，圖中虛線波形為電流波形，實線波形為電壓波形。

圖5　輸出電壓波形

圖6　經過PFC調制后的電壓電流相位波形

4.2實驗結果分析

本電路主要設計參數為輸入電感L=1.0mH，采樣電阻 RS=0.04Ω，輸出電容為 4084μF，采用 6個680μF的電解電容并聯組合，負載為5kW、30R電阻。電路輸入電壓范圍為 198～242V，測試輸出直流電壓為398.6V，接近400V，功率表讀數為0.99。實驗波形如圖7和圖8所示。從圖7中可以看出，輸出電壓和輸出電流是一個比較穩定的直流波形，輸出電壓是 392V，其中存在 10V的紋波電壓，是在允許范圍內的；圖8顯示了電路經過PFC調制后輸入電流和輸入電壓的波形，從圖中可以看出兩者的相位差為零，且正弦性非常好。

圖7　輸出電壓實驗圖形

圖8　輸入電流和輸入電壓波實驗圖形

5 結論

本文對工作在連續電流導電控制模式下的平均電流型 Boost拓撲結構的有源功率因數校正電路進行了分析和研究，采用了內環電流反饋、外環電壓反饋雙閉環的控制方式，通過控制PWM的占空比調節雙環來控制系統。文章建立數學模型和仿真模型，從理論上對雙環控制APFC電路進行了研究，最后搭建了實際電路來驗證雙環控制APFC電路的科學性與正確性。實驗表明，文章采用的方法可以使電路具有快速的響應速度，功率因數接近 0.99，輸出電壓平穩且紋波較小，輸入電流的諧波有了一定的抑制。

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The Design of Boost-Type Double Closed-Loop Controlled Active Power Factor Correction Circuit

Zhang Yanjie
（China Airborne Missile Academy，Luoyang，He’nan 471000）

This paper presents a dual-loop control method which is applied to high-power active power factor correction circuit on the research of conventional power factor correction control circuit. The method adopt dual-loop control which is include voltage loop and current loop to achieve the control of the power factor correction circuit. This paper establish the small-signal model and simulation model to analysis and research working principle and mode of the control method.Finally，build the actual circuit to verify this control method.

power factor control； average current model； dual-loop control

張艷杰（1988-），男，碩士，研究方向為控制理論與控制工程、電磁場與電磁波。