基于平均電流的電壓前饋控制圖騰柱PFC的研究

鄧孝祥，蘇本勇

（黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，黑龍江哈爾濱，150022）

0 引言

圖騰柱PFC有著損耗低、結構簡單、共模噪聲低的優點，隨著新型半導體器件氮化鎵的發展，使得圖騰柱PFC的優點更加明顯。新型半導體器件氮化鎵和普通硅MOSFET相比，具有開關速度快、封裝尺寸小、無反向恢復等優點，可以大幅度提升開關頻率，同時保持了良好的效率指標，具有很好的發展趨勢。

CCM模式下的平均電流控制的電路由于開關頻率固定，且電流跟蹤誤差小，輸入電流諧波含量小，被廣泛使用于各種PFC變換器的控制系統中。傳統的平均電流控制為雙環控制系統，由于電壓外環和電流內環的共同存在，導致控制系統對輸入電壓的突變及負載突變的反映調節能力不夠。因此，本文在圖騰柱PFC平均電流控制的基礎上提出一種電壓前饋的控制方案。

1 圖騰柱無橋PFC電壓前饋控制策略分析

由圖騰柱無橋PFC的工作模態分析可以得到圖騰柱無橋PFC在每個工作過程可以看作一個單相Boost的工作模式。

當儲能開關管導通時，電感L處于儲能階段，得到電路方程為：

儲能管關斷后，電感L處于釋放能量階段，向負載和濾波電容供電，該階段的電路方程為：

在電路初始狀態，電感電流為零，經過n次開關周期的變換，電感電流由初始 i0到 in。結合公式（2-1）及（2-2），在第n+1次變換時，電感電流初始值為in，占空比為Dn+1，則

Ts為開關管的開關周期。

將式（2-3）代入（2-4）得

從式（2-5）中可以看出，在一個開關周期內可以實現電感電流的與其參考值的跟蹤，即

Iavg* 為輸入平均電流值的給定。聯立式（5），（6）則可得到輸出調制波的占空比表達式為

從式（7）可以看出輸出調制波占空比中無積分環節的存在，數字控制系統可以大幅度縮減積分環節的運行時間，提高系統控制頻率，提高變換器動態響應。同時，為保證輸出電壓為恒定值調制波占空比表達式與輸入電壓，輸出電壓大小都有關系，在輸入電壓突變信號到來時，控制系統可以快速的調節開關管占空比，及時的調節開關管導通關斷時間，避免了由于雙環控制系統的積分延時所帶來的輸出電壓不穩及動態響應時間過長的問題。

1.1 主電路設計及仿真驗證

為了驗證GaN器件能夠使圖騰柱無橋PFC工作在連續模式，并且能夠得到比較高的效率，驗證理論分析的正確性，設計PFC電路參數為： 額定輸出功率為400W，額定輸入電壓AC220V（±20%）PFC輸出電壓DC380V，滿載輸入電流THD<10%。

為保證輸入電流紋波和輸出電壓紋波在設計要求內，考慮輸入電感量取值為2mH,輸出電容總容量為200uF。

1.2 雙閉環電壓前饋控制策略仿真分析

為了驗證圖騰柱PFC雙閉環控制策略的正確性，由雙閉環控制策略分析及系統總設計指標，對圖騰柱PFC在MATLAB/Simulink下對整個系統進行了仿真驗證。在仿真過程中，為方便觀測雙閉環控制效果，電路中共有輸入電壓，輸入電流與輸出電壓三個示波器，同時還有POWER GUI模塊內的波形質量分析儀。在仿真過程中，為檢測在不同輸入電壓下電路的PFC功能，共進行了三次仿真驗證，分別為最低輸入電壓下，額定輸入電壓和最高輸入電壓。

電感電流一直處于連續狀態，即圖騰柱PFC的工作模式為連續模式，輸入電流與輸入電壓同相位。在滿載最低輸入電壓情況下，輸入電流的THD含量均在5%以內，表明在電壓前饋控制下的輸入電流畸變率相比較與傳統平均電流控制畸變率更低。仿真結果表明應用本文所提出的具有輸入電壓前饋的平均電流控制下的圖騰柱PFC具有較高的動態響應能力和穩定性。

圖1 控制系統模型

2 結論

經過對平均電流控制下PFC的討論分析，并根據控制原理提出了一種電壓前饋的圖騰柱PFC控制，此控制下變換器具有較高的動態響應能力及穩定性，控制系統能夠在輸入電壓變化時調節開光的導通關斷時間變換，避免了傳統平均電流控制下的變換器由雙環積分延遲所導致的輸出不穩。并設計了一個400W的電路模型，通過Simulink對系統進行仿真驗證，實驗結果表明本文所提出的控制策略能夠提高變換器的穩定性。

圖2 額定輸入電壓下的滿載輸入電流FFT analysis