雙閉環PI控制Boost PFC電路的仿真研究

安徽理工大學電氣與信息工程學院 馬曉露 薛亞彬

0 引言

開關電源的廣泛應用給電網帶來了輸入側的波形畸變、功率因數降低等問題。提高功率因數，進行諧波抑制，從而改善電能質量，為現階段研究的熱點和重點，功率因數校正(PFC)電路得到了較多的應用。近年來，很多科研機構以及電源企業對升壓型功率因數校正（Boost PFC）電路進行了大量研究，并應用在實際電源設計中[1]。幾乎全部的升壓型（Boost）功率因數校正控制方法大致都涉及到雙環控制，即電壓環、電流環[2]。本文通過Matlab Simulink軟件，進行了雙閉環PI控制Boost PFC電路仿真模型的搭建與仿真實驗研究，對實現實際電路有著很好的參考價值。

1 拓撲電路和控制方法選擇

圖1 Boost PFC電路結構

在實際PFC電路設計中，需要完成電壓的轉換，使輸入電流跟蹤全波整流電流，直流電壓輸出穩定[3]。本文PFC電路采用Boost拓撲結構，圖1為Boost PFC電路結構。由二極管、功率開關管、電感和電容等構成PFC主電路，電流iL通過二極管D續流。

PFC控制電路需確保電壓輸出穩定以及輸入電壓、電流達到同一相位。電路采取電壓、電流雙閉環控制方式，圖2為電壓環、電流環雙閉環控制系統原理框圖。電壓環采取定值方式進行控制，從而達到跟蹤誤差的目的，電壓控制器采用PI控制器。電流環輸出脈沖信號控制功率開關管，讓輸入電流跟蹤輸入電壓，電流信號和輸入側的電壓采樣信號達到同相位，電流控制器也采用PI控制器。電流環給定值是輸入電壓的采樣和電壓環的輸出兩者的乘積，可使電流環的輸出電流和輸入電壓同相。

圖2 電壓、電流雙閉環控制原理框圖

2 電流環、電壓環PI控制器

PFC性能的好壞關鍵在于對控制電路中PI控制參數等的設置。對于電流環PI控制器的確定，需要分析Boost PFC控制電路電流環的傳遞函數數學模型[4]。圖3為電流環結構控制框圖。

圖3 電流環PI控制器

KiP、KiI為電流環PI控制器的控制參數，KvP、KvI為電壓環PI控制器的控制參數。電流環、電壓環PI控制器傳遞函數分別為：

3 電路仿真結果分析

圖4為運用MATLAB軟件搭建的Simulink仿真模型。系統輸入交流電源AC 220V，輸出電壓為310V，設置系統仿真運行0.5s。圖5為交流電源電壓Vac和電流Iac的波形，可見系統運行過程中，在0.1s以后，輸入電流和輸入電壓的波形同相。

圖4 電路仿真模型

圖5 交流電源電壓、電流波形

圖6 輸出電壓Vo波形

圖7 輸入電流諧波含量圖

表1 電流環、電壓環參數與Vo穩定時間關系

圖6為BOOST電路的輸出電壓Vo波形，可見Vo在較短的時間后，穩定在了310V附近。圖7為輸入電流進行FFT分析，所得的輸入電流諧波含量圖，輸入電流的基波分量最大，測得THD=6.32%。行，表1為對示波器顯示的Vo波形進行觀測所得的輸出電壓Vo達到穩定所需的大致時間。通過比較可知，當設置合適的電流環、電壓環PI控制器的控制參數時，可使系統具有較快的響應速度和良好的PFC性能。

4 結束語

本文進行了雙閉環PI控制Boost PFC電路的仿真研究。由系統的仿真運行結果分析可得，通過合理選擇PI控制參數，可使系統擁有較快的響應速度，功率因數校正后系統的電流、電壓同相，功率因數接近于1，輸出電壓很快達到穩定值，響應迅速，但在310V附近存在一定的紋波。同時THD值只有6.32%，輸入電流的諧波抑制效果較好，對研究Boost PFC電路的雙閉環PI控制有著較好的參考價值。

[1]楊存祥,何康,金楠,馮雪.一種新型PFC 的控制仿真研究[J].電源技術,2015,39(3):586-587.

[2]張艷杰.升壓型雙閉環控制有源功率因數校正電路設計[J].電氣技術,2016(9):43-46.

[3]王智,方煒,劉曉東.數字控制的單周期PFC 整流器的設計與分析[J].中國電機工程學報,2014,34(21):3423-3431.

[4]石誠,王君艷.基于Matlab Simulink的無橋PFC變換器的仿真[J].通信電源技術,2014,31(2):24-27.