一種圖騰柱PFC的控制方法及Simulink仿真

姚瑞，鄧武

(1.大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116028；2.大連交通大學 軟件學院，遼寧 大連 116028)

一種圖騰柱PFC的控制方法及Simulink仿真

姚瑞1，鄧武2

(1.大連交通大學 電氣信息學院，遼寧 大連 116028；2.大連交通大學 軟件學院，遼寧 大連 116028)

針對圖騰柱PFC主電路的開關器件控制，提出了一種新的控制方法，目的是有效控制圖騰柱PFC主電路，實現降低諧波含量和提高功率因數.該控制方法基于PWM跟蹤控制的思想，且使用了曲線擬合的方法，實現了在不同的電源電壓下穩壓輸出的功能.為了驗證該控制方法的有效性，使用MATLAB的Simulink仿真工具，搭建主電路和控制電路模型進行仿真.對仿真得出的電流波形進行FFT分析，結果顯示，使用該控制系統的圖騰柱PFC理論上能夠得到很好的電氣性能.

圖騰柱PFC；PWM跟蹤控制；曲線擬合；仿真

0 引言

隨著開關電源的大量使用，開關電源的轉換效率和諧波污染已成為不可忽視的問題.功率因數校正(Power Factor Correction，PFC)能夠降低電源側的電流總諧波失真(Total Harmonic Distortion，THD)和無功功率，從而達到提升電能質量和節能的目的.因此對PFC的研究具有重要的實際意義和可觀的經濟效益.圖騰柱拓撲結構是目前已知的PFC拓撲結構中，使用器件最少的，同時共模噪聲低，具有良好的應用前景.

文獻[1]使用UltraFast IGBT，實現了電流連續導通模式(Continuous Conduction Mode, CCM)的圖騰柱PFC，采用平均電流控制，說明CCM圖騰柱PFC是可行的.文獻[2]提出了占空比預測無橋數字PFC控制算法，比平均電流控制效果更優.文獻[3]提出了一種運用現有傳統臨界電流(Critical Conduction Mode, CRM)Boost PFC控制芯片UC3852的控制方法，不如CCM效果好.文獻[4-5]仍然使用CRM平均電流控制方式，但是對圖騰柱拓撲做了改進，使用了交錯并聯技術，達到了比較好的效果，但是多用了電感.文獻[6]對標準圖騰柱拓撲和交錯并聯圖騰柱拓撲做了實驗，電流CRM的情況下，標準圖騰柱拓撲效果不理想.

本文的控制方法針對標準圖騰柱拓撲，較交錯并聯圖騰柱拓撲沒有增加額外的器件；使用CCM，較和CRM有更低的THD，更高的功率因數；使用跟蹤滯環控制，控制過程簡化.

1 圖騰柱PFC拓撲原理[1]

本節對圖騰柱PFC拓撲的原理進行簡要分析.圖騰柱PFC在交流電源正半周期和負半周期都相當于Boost電路，因此輸出電壓要大于輸入電壓.

圖1為圖騰柱PFC拓撲結構.

圖1 圖騰柱PFC拓撲結構

S1，S2為MOSFET，D1，D2為二極管，L1，C0，R0分別為電感，電容，電阻.在交流電正半周期，當S1打開，交流電通過電感、S1、D2，對電感充電，相當于電感直接接在電源上，電感電流上升.

當S1關斷，交流電通過S1的體二極管、R0、C0、D2形成回路，電感L1和電源AC對電容C和電阻R放電，因輸出電壓高于電源電壓，電感L1電流下降.

在正弦交流電正半周期S2、S1的體二極管交替導通，D2持續導通，D1持續關斷.交流電負半周期的工作狀態和正半周期類似，只是交替導通的器件為S1、S2的體二極管，D1持續導通，D2持續關斷.

2 控制系統原理

本節介紹控制系統，先闡述控制方法，再闡述在不同輸入電壓下，穩定輸出電壓的方法.

2.1控制方法

該控制方法的主要思想為PWM跟蹤控制，即電源電流跟蹤和電源電壓同相位的正弦信號，并且使用誤差控制，即參考電壓減去輸出電壓.輸出電壓的紋波峰峰值約為10 V，求誤差e時紋波不會縮小，這與幅值1的正弦相乘時會帶來很大干擾，會影響被控制的電源電流，使校正效果變差，甚至會造成失控.在控制環節使輸入電壓信號通過低通濾波器可以極大地減小紋波.

設低通濾波器的輸出為el.el相當于直流，須和電源電壓同相位的正弦信號相乘，電源電流才可以跟蹤el.

在交流電源正半周期，將乘法環節輸出減去電源電流的差值，送入滯環比較，當差值為正，說明電源電流小于參考信號，需要增大，當差值增大到環寬的上限時，滯環輸出1，控制S2開通，電源電流開始正向增加；同理，當參考信號減電源電流的差值超過滯環的下限時，滯環輸出0，S2關斷.如此循環，電源電流圍繞參考信號在滯環限制的范圍內變化，滯環寬度越窄，電源電流波形越逼近正弦，功率因數提高，諧波含量降低.

在交流電的負半周期，如果不加處理，滯環比較的邏輯與交流正半周期相反, 因為S1開通時，電流反向增大，數值上減??；S1關斷時，電流反向減小，數值上增大.可將輸入滯環的信號取絕對值，統一邏輯，簡化控制.控制系統產生的信號在電源正半周期控制S2，負半周期控制S1.

2.2基于曲線擬合的輸出穩壓

在研究中發現，當參考電壓固定，電源電壓變化時，輸出電壓也隨之變化，它們之間的相互關系如表 1所示，可以看出輸出特性較差.

表1 參考電壓420時不同電源電壓下的輸出電壓

為了穩定輸出電壓，使用曲線擬合的方法，根據輸入電壓求參考電壓.先進行以下仿真實驗：在不同電源電壓下，改變參考電壓，使輸出電壓穩定在400 V，設電源電壓為x，參考電壓/400為y，通過仿真得出6組數據，如圖2.

圖2 數據坐標圖

由圖 2，根據圖像走勢，嘗試用反比例函數進行擬合.選取模型的表達式為：

該模型相當于反比例函數平移，更加符合實際.使用MATLAB曲線擬合工具箱進行擬合，擬合結果如表 2所示.

表2 擬合結果

根據電源電壓求參考電壓的表達式為

(2)

3 圖騰柱PFC主電路參數計算

本節介紹圖騰柱PFC主電路在Simulink中的模型，及主電路元件參數計算.

電感的計算公式[7]：

(3)

式中，D為占空比；Vout為輸出電壓，取400 V；Vin_min為輸入電壓最小值，取40 V；Pout為輸出功率，取1 500 W；Fsw為開關頻率，取100～200 kHz.經計算，L取500 uH.

電容的計算公式[7]：

(4)

式中，tholdup取50 Hz正弦交流電的一個周期，0.02s；fline為交流電頻率；Vripple為紋波的峰峰值，取10 V.經計算，C取1 250 uF.

電阻的計算：

Vo=400 V，Po=1 500 W，電阻值約106 Ω.

4 仿真結果及分析

本節給出仿真模型及仿真結果，通過對結果的分析來驗證控制系統的控制性能.采用了3個不同的輸入電壓來驗證穩壓效果,如圖3、4所示.

控制的效果主要通過主電路輸入輸出的指標來評價.PFC必須滿足：①功率因數接近1；②THD≤5%；③效率高(參考80PLUS標準).針對本文使用的Simulink模型，在計算時，使用紋波的峰峰值為10 V，實際應不大于10 V.以上指標的驗證選取輸入電壓220 V.另外，不同電源電壓下應當穩定輸出400 V.

圖3 控制系統的 Simulink模型

圖4 圖騰柱PFC主拓撲的Simulink模型

4.1穩壓效果驗證

表3為不同輸入電壓下的輸出電壓，可見不同輸入電壓下可以穩定輸出400 V.輸出電壓有一定誤差，但可以忽略不計，若要進一步減小誤差，可以提高被擬合數據的精確度，或者選取更好的數學模型.

表3不同輸入電壓下的輸出電壓V

輸入電壓輸出電壓100400．2150400．2200400．1

4.2負載側電壓分析

由圖 5可知，電壓在仿真時間內，迅速穩定，并在400上下浮動.電源電壓220 V時，輸出仍為400V.紋波峰峰值≤10 V.

(a) 負載電壓完整波形

(b) 負載電壓局部波形

4.3電源側電流分析

圖6為電源電流波形圖，由圖6(b)可以看出，0.22 s為電流一個周期開始，0.24 s為電流一個周期結束，電流相當于初相為0，頻率為50 Hz的正弦波，輸入的正弦電壓也是初相為0頻率為50 Hz的正弦波.可以定性地得出功率因數接近1，將用FFT定量分析功率因數.

(a) 電源電流完整波形

(b) 電源電流局部波形

對電源電流穩定后的波形進行FFT分析，結果如表 4所示.其中基頻50 Hz的相位為0.1°，cos 0.1gt;0.999，功率因數非常接近1.THD=4.63%lt;5%，諧波含量滿足要求.

表4 穩定后的電源電流FFT分析結果

輸入功率為220×6.936= 1 525.92 W，實際輸出功率400.5×400.5÷106=1513.21 W，效率為1513.21÷1 525.92=0.991 7≥0.98，效率滿足要求.

5 結論

針對圖騰柱PFC，本文提出一種控制方法，使用Simulink進行仿真，仿真得出的THD、功率因數和效率都達到了較高的標準；在不同的電源電壓下，輸出都可以穩定在400 V；輸出的直流電壓有較小的紋波，整套系統輸入輸出特性良好.理論上證明了控制方法的正確性和高效性.

控制方法實現系統穩壓時，使用了數學建模的方法，將非線性的電力電子電路簡化為輸出電壓400 V下的電源電壓—參考電壓模型，使用曲線擬合，實現了輸出穩壓.

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AControlMethodofTotem-PolePFCandItsSimulinkSimulation

YAO Rui1, DENG Wu2

(1. School of Electronics and Information Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China; 2.Software Institute, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Focused on the control of switching devices in totem-pole PFC′s main circuit, a new control method is presented. The purpose of the method is to effectively control totem pole PFC main circuit, achieve reducing total harmonic distortion and improve the power factor. The control method is based on the PWM tracking control, and the curve fitting method is used to stabilize output voltage under different supply voltages. In order to verify the validity of the control method, the main circuit model and control circuit model are built with MATLAB/Simulink, then simulated and finally conducted FFT analysis of the current waveform. Results show that the Totem-pole PFC using the control system can get good electrical performance theoretically.

Totem-pole PFC; PWM tracking control; curve fitting method; simulation

1673- 9590(2017)06- 0111- 04

2017- 04-28

姚瑞(1991-)，男，碩士研究生;

鄧武(1976-),男，教授，博士，主要從事智能優化與信息處理、智能診斷的研究

E-mail12634293@qq.com.

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