基于數字單周期控制Boost PFC變換器的設計與仿真

李少林，張景明，張維路，張卓夫

（桂林電子科技大學，廣西桂林541004）

基于數字單周期控制Boost PFC變換器的設計與仿真

李少林，張景明，張維路，張卓夫

（桂林電子科技大學，廣西桂林541004）

單周期控制技術（One-Cycle-Control，OCC）是當前一種比較新型非線性大信號PWM控制技術，單周期就可以實現控制目標，廣泛運用于功率因數校正（Power Factor Correction，PFC）。在論述單周期控制原理的基礎上，設計了一種基于單周期控制的Boost變換器并進行實驗論證。實驗結果證明，單周期Boost PFC變換器可以實現PFC所控制的目標。

單周期控制；變換器；功率因數校正

近年來，隨著電力電子的快速發展，大量非線性負載的電力電子設備應用于實際生活的各個方面。但這些非線性負載的設備在實際工作時產生了大量諧波，不僅影響設備自身的工作效率，也對電力系統的穩定性產生影響。功率因數校正（PFC）是處理諧波的一種有效方法。因此，功率因數校正成為了當前電力電子領域的一個研究熱點。

單周期控制是一種新型非線性大信號PWM控制技術。在輸入電壓或負載出現快速變化的情況下，能在單周期內實現控制目標。與傳統的功率因數校正方式對比，少了乘法器，具有調制和控制的雙重功能。其最顯著的特點就是不論穩定或擾動狀態都能使受控量的平均值與控制參考基值成正比關系。單周期控制具有動態響應快、開關頻率恒定、抗干擾性強和易于實現的優點，近年來在PFC技術上得到廣泛的應用。

本文以單周期控制的基本理論為基礎，引入Boost PFC變換器以實現功率因數校正。首先，分析單周期控制Boost PFC變換器的工作原理；然后根據原理計算并設置基本參數；最后運用Saber軟件進行仿真，驗證單周期控制的Boost變換器實現PFC的控制目標的可行性。

1　單周期控制的基本原理

單周期控制即OCC，它是源于上世紀90年代初美國學者提出的一種非線性大信號脈沖寬度調制控制理論，也是一種模擬脈沖寬度調制控制技術。它通過控制開關關斷時間，使每個開關周期中開關變量的平均值與控制基準量成正比關系。在連續導通模式（Continuous Conduction Mode，CCM）下，以圖1所示Buck變換器為例來闡述OCC的基本工作原理[1]。

圖1　OCC Buck變換器工作原理圖

由圖1可以看出OCC的核心是帶有復位開關S1的積分器，此外還有RS觸發器。在一個周期T內，當一個時鐘脈沖到來時，RS觸發器的Q端為高電平，主開關S閉合，此時被檢測量UVD=Uin，積分器開始工作。當積分器輸出U1=Uref（Uref為基準參考電壓，單周期內時，RS觸發器端為高電平，主開關S斷開，復位開關S1閉合，此時UVD=0.在一個周期T內，如果RC=T，則輸出電壓為

式中D為占空比。

則：

2　單周期控制Boost變換器功率因數校正的實現方法

圖2所示的是OCC Boost變換器PFC的工作原理。

圖2　OCC Boost變換器PFC工作原理圖

根據功率因數的定義，要達到PFC效果需要滿

足[2]：

式中，Re為輸入端等效阻抗；Ii為輸入電流。

如果在系統每個工作周期內，Re可以等效為一個純電阻，則功率因數λ=1.根據Boost電路原理，在一個工作周期內，變換器的輸入電壓Ui和輸出電壓U0可以表示為：

式中D為占空比。

令：

合并式（3）～（5）可得：

當輸出濾波電容CL達到一定值時，輸出電壓U0可以視為是一個恒定值。在一個工作周期內，由式（5）可以看出Um是恒定的。因此，Ii總是跟隨著Ui，所以變換器的輸入端阻抗等效于一個電阻，實現功率因數校正。將式（4）代入式（6）得到控制目標：

3　實驗驗證

3.1樣機設計

運用基于單周期控制的集成芯片IR1150S[3]搭建了一臺Boost PFC變換器的原理樣機，如圖3所示。實驗樣機的主要參數為：輸入交流電壓有效值為85～264 V/50 Hz；開關管工作頻率為100 kHz；輸出直流電壓為380 V；輸出額定功率為300 W；過壓保護電壓為425 V；升壓電感為800 uH；輸出濾波電容為330 uF/450 V；電流檢測電阻為0.1 Ω.

圖3　基于IR1150的Boost PFC變換器

3.2實驗結果及分析

如圖4所示，在額定負載下，輸入交流電壓110 V時，輸入電壓uin、輸入電流iin的實驗波形。實驗結果表明輸入電流iin相位同步于輸入電壓uin，實驗波形良好。

圖4　OCC Boost PFC變換器輸出電壓、輸入電壓和輸入電流實驗波形

4　結束語

本文闡述了單周期控制Boost PFC變換器工作原理，并采用基于單周期控制的芯片IR1150S搭建了一臺原理樣機，通過用Saber軟件進行模擬仿真驗證，實驗結果表明所設計的單周期控制Boost PFC變換器可行性良好。

[1]朱鋒，龔春英.單周期控制Boost PFC變換器分析與設計[J].電力電子技術，2007，41（1）：100-102.

[2]曹廣華，胡宗波，張波.單周期控制Boost PFC變換器[J].電力電子技術，2005，39（3）：6-7，19.

[3]IR1150S.Data Sheet-International Rectifier Corp[Z].2005.

Design and Simulation of the Boost PFC Converter Based on One-Cycle-Control

LI Shao-lin，ZHANG Jing-ming，ZHANG Wei-lu，ZHANG Zhuo-fu
（Guilin University of Electronic Technology，Guilin Guangxi 541004，China）

One-Cycle-Control（OCC）is a novel nonlinear large signal PWM control technique，single cycle can realize the control target，is widely applied in Power Factor Correction（PFC）.In this paper，based on discussing the theory of OCC，design a Boost converter based on OCC and verify by experience.The experimental result indicates that one-cycle-control Boost PFC converter can realize the target of PFC.

one-cycle-control；converter；power factor correction

TM46

A

1672-545X（2016）10-0066-02

2016-07-12

李少林（1964-），男，廣西桂林人，博士，副教授，高級工程師，研究方向：機電一體化裝備電氣控制技術，電力電子技術。