一種無橋APFC的控制方法研究

曹明秀

（合肥華耀電子工業(yè)有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

傳統(tǒng)的有橋有源功率因數(shù)矯正（Active Power Factor Correction，APFC）方案中，輸入整流橋的損耗在所有損耗中占主體部分。無橋APFC技術(shù)是通過消除輸入的整流橋器件，從而降低了損耗。同時(shí)由于主電路全部采用了半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)，所以反過來也可以實(shí)現(xiàn)逆變的功能，能夠應(yīng)用于雙向交流轉(zhuǎn)直流（AlternaTlng Current/Direct Current，AC/DC）中。

APFC的作用是將交流輸入轉(zhuǎn)換成直流輸出，同時(shí)實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)校正功能。實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的直流輸出有很多種方法，本文闡述的是一種圖騰柱主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，采用的控制方法是電壓外環(huán)和電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制[1,2]。主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 APFC主電路拓?fù)?/p>

圖1中，L1和L2為交流側(cè)濾波電感，C為直流側(cè)輸出端下端電容，RL為電阻性負(fù)載。

1 無橋APFC控制策略

無橋APFC的控制方式是通過電壓環(huán)的調(diào)節(jié)和電流環(huán)的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）的輸出，環(huán)路控制器為比例積分（Proportion Integral，PI）控制器，環(huán)路輸出疊加電壓前饋實(shí)現(xiàn)調(diào)制波輸出，可變的PWM占空比控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)序，從而實(shí)現(xiàn)輸出控制[3]。系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)

1.1 電壓環(huán)控制

電壓環(huán)控制的目的是為了穩(wěn)定直流側(cè)電壓Uout，三相電網(wǎng)基波電動(dòng)勢為

式中：ea、eb、ec分別為A相、B相、C相的電動(dòng)勢；Em為電網(wǎng)電動(dòng)勢基波峰值；ωt為正弦信號的相位。

電壓環(huán)控制結(jié)構(gòu)如圖3所示，輸出反饋電壓與參考電壓進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)的結(jié)果作為電壓環(huán)輸出[4,5]。

圖3 電壓環(huán)控制結(jié)構(gòu)

1.2 電流環(huán)控制

輸入電流與電壓環(huán)PI調(diào)節(jié)后的結(jié)果相乘作為電流內(nèi)環(huán)的給定值Iref，然后反饋電流和電流參考進(jìn)行電流環(huán)PI計(jì)算，其計(jì)算結(jié)果作為占空比輸出控制開關(guān)管[5,6]。電流環(huán)控制過程如圖4所示。

圖4 電流環(huán)控制結(jié)構(gòu)

1.3 電流環(huán)路前饋控制

在電流環(huán)控制的基礎(chǔ)上增加前饋控制，使PI調(diào)節(jié)在一個(gè)穩(wěn)態(tài)范圍，讓PI調(diào)節(jié)更簡單、準(zhǔn)確，實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)響應(yīng)。通過增加前饋控制，給系統(tǒng)一個(gè)預(yù)估的正弦位置，可使電流波形更加接近正弦波，降低總諧波失真（Total Harmonic Distortion，THD），提高中小功率功率因數(shù)值[6]。

由于APFC電流在一個(gè)過零處和輕載下存在斷續(xù)工作模式，因此需要在前饋控制中分別計(jì)算出斷續(xù)工作模式和連續(xù)工作模式對應(yīng)的占空比，取最小值作為前饋環(huán)路輸出值[7]。斷續(xù)工作模式及連續(xù)工作模式的占空比計(jì)算公式分別為

前饋環(huán)路輸出的計(jì)算公式為

式中：Uin為輸入電壓；U0為輸出電壓；DCCM為APFC CCM前饋占空比；Pin為輸入功率；fs為開關(guān)頻率；L為電感感量；f為控制頻率；DDCM為APFC DCM前饋占空比；DOUT為前饋輸出?？刂菩酒總€(gè)采樣周期計(jì)算一次DCCM與DDCM數(shù)值，然后選取較小值作為占空比前饋?zhàn)兞俊?/p>

1.4 同步整流設(shè)計(jì)

三相APFC最關(guān)鍵的一點(diǎn)是同步整流的開啟時(shí)機(jī)。工頻整流管跟隨輸入交流電的相位，高頻整流管在電感電流進(jìn)入連續(xù)導(dǎo)通（Continuous Conduction Mode，CCM）的模式下開始開啟。

利用電源仿真軟件（Power Simulation，PSIM）建立了仿真模型，設(shè)定輸出電壓為390 V，電網(wǎng)輸入相電壓有效值為220（1±10%）V，輸出端接純阻性負(fù)載[8]。仿真結(jié)果如圖5所示。

圖5 APFC的仿真結(jié)果

圖中①線表示交流輸入電壓波形，②線表示交流輸入電流波形，輸入電流與輸入電壓同相位，且輸出穩(wěn)定，可見采用此控制方法實(shí)現(xiàn)了良好的效果。

2 軟件設(shè)計(jì)

軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，電壓環(huán)與電流環(huán)路計(jì)算均在模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analogue to Digital，AD）中斷中執(zhí)行，每個(gè)AD采樣周期執(zhí)行一次計(jì)算，計(jì)算結(jié)果作為PWM的占空比輸出，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)[9,10]。電壓環(huán)、電流環(huán)的計(jì)算和控制均采用在每個(gè)AD采樣周期中執(zhí)行的方式，程序流程如圖6所示。

圖6 程序流程

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了驗(yàn)證以上分析的正確性，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)電路的基本參數(shù)為：交流輸入電壓Uac=220 V/50 Hz；交流側(cè)濾波電感L=280 μH；直流側(cè)濾波電容C=2 340 μF；直流側(cè)輸出電壓Uo=390 V，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 穩(wěn)定輸出時(shí)輸入電流波形

圖中①線表示輸出電壓波形，②線表示交流輸入電流波形。此種無橋APFC在過零點(diǎn)后增加軟啟動(dòng)控制方法，以限制占空比的大小，降低了電流尖峰；同時(shí)采用的同步整流設(shè)計(jì)用場效應(yīng)管代替體二極管續(xù)流，提高了電源的效率。綜上可知，此控制方法實(shí)現(xiàn)了良好的效果，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié) 論

本文介紹了無橋APFC關(guān)鍵控制方法的設(shè)計(jì)過程，特點(diǎn)有：（1）采用無橋拓?fù)?，較有橋的拓?fù)湫矢撸l(fā)熱少；（2）采用電流環(huán)與電壓環(huán)雙環(huán)控制方式實(shí)現(xiàn)對輸入電流的數(shù)字控制，結(jié)合占空比前饋的控制以及同步整流的改善作用；（3）采用的無橋APFC控制方法可適用于充電機(jī)電源模塊的前級APFC控制策略。