一種基于單周期控制的改進型功率因數校正方法

張文文+劉子龍+夏紀冬

摘要：分析常規Boost型單周控制的功率因數校正器拓撲結構原理和輸入等效電路，指出常規單周控制的功率因數校正器存在隨著變換器功率等級和開關頻率的提高，系統的通態損耗顯著增大，從而導致系統整體效率降低。提出一種改進型功率因數校正器，分析了改進型Boost電路的拓撲結構和基本原理，以及電路的單周控制方程，給出了該電路拓撲結構中主要元器件參數選取的理論依據。對控制系統中的PI調節器的設計進行了理論分析，并將控制系統校正為典型的Ⅱ型系統，以提高系統的抗干擾性能和穩定性，并且制作150UA的樣機驗證設計系統的正確性。關鍵詞：功率因數校正；單周期控制；電路拓撲；穩定性DOI：10.11907/rjdk.162679中圖分類號：TP301文獻標識碼：A 文章編號：16727800（2017）0040018040引言 隨著電力電子技術的發展，越來越多的電力整流器投入電網使用，在為電力行業帶來利益的同時，也給電網注入大量諧波。APFC（Active Power Factor Correction）有源功率因數校正器已成為眾多學者的研究熱點。傳統的Boost型功率因數校正器電路受MOS管開關頻率fm限制[15]，而基于OCC（One Cycle Control）的功率因數校正電路無需乘法器和檢測輸入電壓電路，很多學者對單相和三相都提出了基于單周變換的PFC電路。基于準穩態控制原理，OCC PFC變換器可以視為在單周開關內穩態運行的DC-DC變換結構。若從輸入端控制相電壓和相電流的比值為一個常數，則可以將功率因數值的大小近似為1。目前，大部分研究主要集中在電源頻率為f1（50Hz）的情況下，即橋式整流器后接Boost電路，功率校正電路可以去掉橋式整流器后面的大濾波電容C，整流器后面輸出的電壓為正弦半波，Boost變換器將正弦半波電壓轉換成穩定的直流電壓，且穩定的電壓值比正弦半波的最大幅值電壓稍高，其核心本質是監控整流后的半波電壓，使電流跟蹤電壓。Boost變換器將沿正弦半波曲線上升和下降的不同電壓轉換成直流電壓的原理為：在周期T內，開關管S1導通一段時間TON，電感L儲能，當開關管S1關斷時，電感L的極性會顛倒。當電感L同名端的電壓上升到高于輸入電壓Vin，開關管S1關斷時，在TON儲能期間，電感L通過VD給負載提供能量，這種變換器的輸出—輸入電壓關系式如下：功率因數校正電路的主要任務是利用Boost變換器將沿正弦半波上升和下降的電壓轉換成穩定的、比輸入正弦電壓最大幅值稍高的直流電壓輸出。功率因數校正電路第二個電路的主要任務是檢測輸入電網的電流，并使其變成輸入電網電壓同相位的正弦[7-8]。其主要原理是控制芯片將電網中的采樣電流和基準正弦波電流進行比較，兩個正弦波的差值將產生誤差電壓。由誤差電壓來調節導通電壓，從而使電網電流采樣與基準正弦電流有同樣的幅值和相位。在圖1中，在正弦整個周期中，4個橋式整流器總會有兩個開關器件導通，后級部分不管在正弦正半軸還是負半軸都會有MOS管或是續流二極管導通，從而任何時刻都有3個開關器件導通。隨著開關器件的增多和開關頻率的增大，開關損耗PS會增大，整個系統損耗Pz也將增加，從而使整體效率降低。為了解決這個問題，本文從OCC PFC的電路結構方面進行分析，提出一種改進型的OCC PFC電路，能夠提高系統的穩定性和抗干擾性能。1常規OCC PFC變換器輸入等效電路及分析本文主要分析單相OCC PFC電路，圖1給出了單相OCC PFC電路的主要拓撲圖，在一個周期內輸出電壓Uo可以視為恒定不變的量，整個控制器輸出的穩態值為Um，其中RS為輸入電網的采樣電阻，電壓控制的傳遞函數為HV（S）。2改進型PFC電路工作原理根據文獻[5]提出的改進型PFC電路，如圖3所示，分析該電路原理。可以將電路在整個電路周期內分解為4種狀態電路圖[9-12]，正弦電壓正半周的等效電路如圖4所示。在圖4（a）電路中，交流電流對電感L進行充電，閉合開關MOS管S1，VD4受控導通，在該狀態下電容CO向負載提供能量；當關閉MOS管S1，其等效電路如圖4（b）所示，電感L極性反相，S2反并聯寄生二極管受控導通，對負載進行供電，同時對電容CO進行充電。正弦電壓負半周時，其電路工作時的等效電路如圖5所示。其工作原理如下：在圖5（c）電路中，MOS管S2閉合導通，流過開關管S1反并聯二極管，同時電容Co向負載供電；當開關管S2關斷時，等效電路如圖5（d）所示，電感L的極性會反相，VD2受控導通，向負載提供能量，同時給輸出電容CO提供能量，S1反并聯二極管受控導通。基于以上分析，常規單周控制的功率因數校正器，在任何周期內都有3個開關器件導通，改進型的功率因數校正器在任何周期內有兩個開關器件導通，由于MOS管S1和S2共同接地，故無需外加隔離電路，驅動電路簡單。由于功率損耗較低，故適用于中功率和大功率應用場合。〖JP〗3改進型功率因數校正電路主要控制原理單周控制的核心思想是在每個周期內使開關變量的平均值和控制對象的參考量成比例[13]。由于開關管驅動電路簡單且頻率為固定不變的量，本電路設計PWM驅動電路時選擇輸出為兩路相反的PWM電路，圖6為改進型功率因數校正結構圖。對于公式（9）中UP電壓的采集，可以用電阻分壓法采集負載端電壓，與設定好的參考電壓Uref用運放作差得到差值Ue，差值通過PI調節器輸出Um。將得到的Um與Us作減法與運算放大器構成的積分器作比較器，當輸出值達到兩者之差時，比較器輸出翻轉，積分器同時會被復位信號復位[14]。4單周控制PI調節器設計5實驗數據驗證對于以上數據分析，設計一臺150UA改進型單周控制的PFC樣機。直流輸出電壓Uo=50V，負載采用直流電子負載儀器，在恒流檔位狀態下，電流為3A，受控MOS管開關頻率為20KHz；電感L=2mH，直流側Co=2 200uF。其輸出調節參數為：τ1=25ms，τ2=8ms，τ3=3.6ms，K=3 333.3。本實驗測試采用IV8711可編程直流電子負載測試儀，編程到恒流檔位3A，整個系統調試電路如圖8所示。未校正的電路電流波形失真十分嚴重，可以用THD（總諧波失真）參數的數值大小來衡量。經計算，未校正前其THD為78.4%，進行單周控制的PFC電路，校正后的功率因數下降到8.33%。利用150UA實驗樣機測量輸入電壓，電流波形圖如圖9所示。電流波形失真嚴重，系統的功率因數較低。加入改進型的功率因數校正系統后，系統波形如圖10所示，輸入電流波形跟蹤電壓，輸入側測量功率因數達到0.993。為了驗證輸出電路的效率問題，本電路測量了多組數據，將其效率曲線與常規單周控制的功率因數校正器的輸出效率曲線進行了比較。從數據上看，加入改進型的功率因數校正系統后，提高了系統效率，如圖11所示。6結語 本文采用改進型的基于單周控制的功率因數校正電路，先介紹了常規單周控制電路的系統電路圖，并對單周功率因數校正電路進行原理性的推導，介紹了常規功率因數校正電路的主要設計步驟。其中有兩個主要任務，一是將輸入正弦半波轉換成穩定的直流電壓，且穩定的直流電壓值比輸入正弦半波的幅值稍高；二是檢測輸入端的電流，跟蹤輸入端的電壓[15]。由于其在整個周期內，電路內開關管始終有3個導通，導致其效率不高。為了解決該問題，本文提出改進型的功率因數校正電路，給出了系統設計的原理圖，建立了單周控制方程，并對其中最重要的PI控制器進行了設計，并用公式推導其設計思想。最后設計了一臺150W基于改進型的單周控制的功率因數校正器，測量電路的電壓和電流波形，與未進行功率因數校正的電路波形相比，效率提高了2%～5%。本文設計思想同樣適用于單周控制的FCATS裝置。參考文獻：[1]毛鵬，謝少軍，許愛國，等.單周期控制PFC變換器電流相位滯后及補償[J].電工技術學報，2010，25（12）：111117.[2]WANG S，RUAN X，YAO K，et al.A flickerfree electrolytic capacitorless ACDC LED driver[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27（11）：45404548.[3]WANG B，RUAN X，YAO 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