基于單周期控制的快速響應(yīng)PFC變換器研究

黃 超，林維明，張 強(qiáng)

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州350108)

基于單周期控制的快速響應(yīng)PFC變換器研究

黃 超，林維明，張 強(qiáng)

(福州大學(xué)電氣工程與自動化學(xué)院，福建 福州350108)

提出了一種基于負(fù)載電流前饋與單周期控制技術(shù)相結(jié)合的快速負(fù)載動態(tài)響應(yīng)功率因數(shù)校正(PFC)變換器控制策略。負(fù)載電流信號與傳統(tǒng)輸出電壓反饋信號相乘并作為單周期控制載波信號，保證了PFC變換器具有快速的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。此外，論文設(shè)計了兩種自適應(yīng)輸出電流紋波補(bǔ)償方法，有效抵消了負(fù)載電流前饋引入的輸出二次紋波，減少了穩(wěn)態(tài)下輸入電流畸變。最后，基于單相Boost PFC電路，通過仿真與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所提控制方法的優(yōu)越性。

功率因數(shù)校正;單周期控制;負(fù)載動態(tài)響應(yīng);紋波補(bǔ)償

1 引言

Boost電路拓?fù)湟蚱漭斎腚娏鬟B續(xù)，功率因數(shù)高，廣泛用于單相PFC整流器中［1］。單周期控制技術(shù)用于功率因數(shù)校正(Power Factor Correction，PFC)變換器可獲得單位功率因數(shù)，無需采樣輸入電壓，外圍簡單，成本低［2］，且具有良好的抗電網(wǎng)電壓擾動能力。為保證低的輸入電流畸變，通常將輸出電壓環(huán)帶寬限制在10～20Hz，以保證進(jìn)入控制環(huán)路的輸出電壓二次諧波得到足夠衰減［3，4］。然而窄的電壓環(huán)帶寬使得變換器的負(fù)載動態(tài)響應(yīng)受到了限制。

對于負(fù)載經(jīng)?？焖僮兓虼蠓袚Q的應(yīng)用場合，環(huán)路帶寬不夠會導(dǎo)致輸出電壓長時間大幅波動，不僅惡化系統(tǒng)的性能，增加電路功率器件應(yīng)力，還可能危害負(fù)載。為解決 PFC變換器負(fù)載動態(tài)響應(yīng)慢的問題，近年來許多研究人員積極開展改進(jìn)負(fù)載動態(tài)響應(yīng)的研究。第一種思路是增大輸出電壓環(huán)路帶寬，采用凹口濾波器［5］或采樣保持器［6］來濾除輸出電壓二次紋波，方法簡單，但帶寬只能低于二次紋波頻率，無法勝任更快速的負(fù)載變化;文獻(xiàn)［7］則提出了一種電壓紋波補(bǔ)償方法，該方法需要檢測輸入電壓，且補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造復(fù)雜。第二種思路則是增加負(fù)載電流前饋［8，9］，文獻(xiàn)［8］提出了負(fù)載電流與輸出電壓環(huán)路相加的控制策略，但并未進(jìn)行前饋環(huán)引入的二次諧波問題分析。文獻(xiàn)［9］采用負(fù)載電流前饋并通過鎖相環(huán)電路實(shí)現(xiàn)紋波估計與補(bǔ)償，比較適合于數(shù)字控制。

本文提出了一種基于單周期控制技術(shù)，采用負(fù)載電流前饋與輸出電壓反饋環(huán)相乘的改進(jìn)控制方法。和傳統(tǒng)的單周期控制 Boost PFC變換器相比，改進(jìn)控制方法的輸入輸出功率平衡更容易實(shí)現(xiàn)。為了進(jìn)一步降低輸入電流畸變，提出了一種基于乘法器的自適應(yīng)紋波補(bǔ)償方法，分析了紋波補(bǔ)償機(jī)理，并驗(yàn)證了該補(bǔ)償電路的可行性。本文提出的改進(jìn)控制策略，適用于對負(fù)載跳變具有快速響應(yīng)且要求穩(wěn)態(tài)下具有低輸入電流諧波畸變的Boost PFC變換器。

2 單周期控制Boost PFC變換器工作原理

圖1所示為采用單周期控制技術(shù)的單相 Boost PFC變換器。電路控制目標(biāo)是迫使輸入電流與輸入電壓成比例關(guān)系，在CCM模式下，PFC控制律可表達(dá)為:

其中，d(t)為占空比，d(t) =ton/Ts;Um為控制變量，Um=Vo(t)Rs/Re;Re為PFC變換器等效輸入阻抗;Vo(t)為變換器輸出電壓;假定PFC電感值足夠大，電感電流紋波很小，則電感電流峰值 iLpk(t)可近似等于電感平均電流，因此方程(1)可改寫為:

圖1 典型單周期控制的單相Boost PFC變換器Fig．1 Traditional implementation scheme of one-cycle control applied in single-phase PFC Boost converter

圖1所示單周期控制電路的工作原理為:電壓環(huán)輸出信號Um通過一個可復(fù)位積分器在每個時鐘觸發(fā)時刻起開始積分，此時驅(qū)動為高電平，主電路開關(guān)管導(dǎo)通，電感電流上升，電流的PWM載波為 Um加上積分器輸出信號，當(dāng)電感電流信號等于載波值時驅(qū)動變?yōu)榈碗娖?，關(guān)斷主電路開關(guān)管，同時復(fù)位積分器，直到下一時刻時鐘信號到來。由圖1可看出，電路的控制器滿足如下方程:

其中，RC為積分時間常數(shù)。可以看出，當(dāng) RC等于開關(guān)周期Ts且 Um在一個電源周期中近似為常量時，控制器滿足了方程(1)，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。

3 新型的單周期控制Boost PFC變換器

圖2所示為改進(jìn)的單周期控制Boost PFC變換器，增加了一個負(fù)載電流環(huán)，通過一個紋波補(bǔ)償器后與傳統(tǒng)電壓PI環(huán)相乘，這樣得到的Um既能夠快速響應(yīng)負(fù)載跳變，同時也保證了穩(wěn)態(tài)下變換器具有較低的輸入電流諧波畸變。在一個工頻半周，假定輸出功率不變，根據(jù)輸入輸出有功功率守恒，可得

其中，Po為工頻半周內(nèi)的輸出功率;iL(t)rms和 Vin分別為工頻半周內(nèi)的電感電流有效值與輸入電壓有效值;η為PFC變換器效率;Vgm為輸入電壓幅值。結(jié)合式(2)和式(4)，PFC變換器的控制律可重新構(gòu)建為:

采用上述控制律，若負(fù)載變化率低于兩倍電網(wǎng)工頻，則變換器可以在暫態(tài)下保證高的功率因數(shù)。當(dāng)負(fù)載變化大于兩倍工頻時，系統(tǒng)根據(jù)瞬時功率守恒，依然能夠很快響應(yīng)負(fù)載變化，但是無法保證暫態(tài)具有高功率因數(shù)。

圖2 改進(jìn)的單周期控制單相Boost PFC變換器Fig．2 Proposed scheme of one-cycle control applied in single-phase PFC Boost converter

因此本文采用紋波補(bǔ)償電路如圖3所示，基于負(fù)載電流紋波抵消原理，根據(jù)輸入輸出功率守恒方程，可得到輸出電壓表達(dá)式為:

其中，R(t)為未知負(fù)載;VDC為輸出電壓直流分量。故輸出負(fù)載電流可以寫為:

式中，右邊第一項(xiàng)為輸出電流的直流分量，用 Io表示;第二項(xiàng)為輸出紋波電流值，用ΔIo表示，則式(7)可改寫為:

圖3 兩種輸出控制閉環(huán)回路的電流紋波補(bǔ)償方案Fig．3 Two schemes about ripple compensator

現(xiàn)具體分析這兩種補(bǔ)償器的性能，第一種方案如圖3(a)所示，將輸出電流檢測信號直接連接到乘法器，其中 Kp為輸出電壓誤差比例系數(shù)，Kc為負(fù)載電流采樣系數(shù)，β為輸出電壓比例系數(shù)，取 Kp=1/ Uref，則期望輸出可寫為:

從式(10)可得到輸出電壓二次紋波被消除，僅含有很小含量的四次紋波和直流偏置。第二種紋波補(bǔ)償電路如圖3(b)所示，一個輸出電流信號通過一個凹口濾波器，凹口頻率設(shè)為兩倍電網(wǎng)工作頻率，使得輸出到乘法器 M1的信號基本沒有二次紋波，在穩(wěn)態(tài)下，該值近似等于Io。因此，利用方程式(9)和式(10)，可估計出輸出電壓紋波。當(dāng)控制電路滿足:

則輸出二次電流紋波將被消除，且不增加四次電流紋波，其中系數(shù) Kp=1/Uref。然而，由于增加了凹口濾波器，使得補(bǔ)償電路更加復(fù)雜，且無法消除四次電流諧波，當(dāng)負(fù)載更快速變化時，將會引起估算誤差，使輸出電壓紋波變大。為了折衷負(fù)載動態(tài)響應(yīng)速度與輸入THD要求，本文將輸出環(huán)路帶寬設(shè)為100～200Hz，保證了改進(jìn)PFC變換器的性能。

4 仿真結(jié)果

本文使用 Pspice軟件對傳統(tǒng)單周期控制 PFC變換器和改進(jìn)單周期控制 PFC變換器進(jìn)行分析對照。為了電路簡便性，本文選擇第一種紋波補(bǔ)償方法。單相Boost PFC變換器的仿真參數(shù)如表1所示。變換器從滿載跳變到10%額定負(fù)載再跳變到滿載。仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

表1 電路仿真參數(shù)Tab．1 Simulation parameters

對照圖4和圖5的仿真波形可以看出，傳統(tǒng)單周期控制PFC變換器在負(fù)載從滿載突變至輕載時具有較大的過沖，過沖電壓約為20V，電壓調(diào)節(jié)時間約為140ms;當(dāng)負(fù)載從輕載切換到滿載時，輸出電壓跌落了5%，電壓調(diào)節(jié)時間約為68ms。對于改進(jìn)控制的變換器在負(fù)載從滿載突變至輕載時輸出電壓沒有過沖，當(dāng)負(fù)載從輕載突變至滿載時，輸出電壓沒有跌落。仿真表明，所提控制方案具有更快的負(fù)載動態(tài)響應(yīng)。

圖4 傳統(tǒng)單周期控制的單相Boost PFC變換器仿真波形Fig．4 Simulation waveforms of traditional OCC

圖5 改進(jìn)的單周控制PFC變換器仿真波形Fig．5 Simulation waveforms of proposed OCC PFC converter

5 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

本文利用國際整流器公司的單周期控制芯片IR1150S，基于 Boost PFC電路，對傳統(tǒng)單周期控制變換器和改進(jìn)控制變換器做了對比。實(shí)驗(yàn)采用第一種紋波補(bǔ)償方法，參考電壓Uref=7V，β=0．0875，Kc=1;前饋調(diào)節(jié)器的具體實(shí)現(xiàn)電路如圖6所示。變換器的實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表2所示。

圖6 前饋調(diào)節(jié)器的具體實(shí)現(xiàn)電路Fig．6 Implementation of feedforward regulator

圖7和圖8分別為兩種控制下變換器負(fù)載切換時的輸出電壓與輸入電流波形。圖7可以看出，當(dāng)負(fù)載從滿載切換到20%額定負(fù)載時，輸出電壓超調(diào)量約為12V，調(diào)節(jié)時間約為300ms;而負(fù)載從20%額定負(fù)載切換到滿載時，輸出電壓跌落約14V，調(diào)節(jié)時間約為285ms。圖8可以看出，當(dāng)負(fù)載從滿載切換到20%額定負(fù)載時，輸出電壓無超調(diào);而負(fù)載從20%額定負(fù)載切換到滿載時，輸出電壓超調(diào)約為2.5V，調(diào)節(jié)時間約為50ms。

表2 電路實(shí)驗(yàn)參數(shù)Tab．2 Experimental parameters

圖7 傳統(tǒng)單周期控制PFC變換器的實(shí)驗(yàn)波形Fig．7 Experimental waveforms of traditional OCC converter

6 結(jié)論

本文提出了一種基于單周期控制的快速響應(yīng)單相Boost PFC變換器。通過增加一個負(fù)載電流前饋信號并和傳統(tǒng)輸出電壓環(huán)路并聯(lián)，提高了系統(tǒng)的負(fù)載動態(tài)響應(yīng)，同時保證了系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性。此外，本文設(shè)計并分析了兩種自適應(yīng)紋波補(bǔ)償方法，在輸出電壓環(huán)路為100～200Hz的場合，兩種紋波補(bǔ)償方法都能夠很好地消除控制電路的輸出二次紋波，降低輸入電流畸變。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的控制方法改善了 PFC變換器的負(fù)載動態(tài)響應(yīng)且保證了較低的輸入電流諧波畸變。

圖8 改進(jìn)控制PFC變換器的實(shí)驗(yàn)波形Fig．8 Experimental waveforms of proposed OCC converter

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Research on one-cycle control of power factor correction converter with fast dynamic response

HUANG Chao，LIN Wei-ming，ZHANG Qiang
(College of Electrical Engineering＆Automation，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China)

A novel strategy of One-Cycle Control(OCC)technique combining with load current feedforward control for power factor correction(PFC)converter with fast load dynamic response is proposed in this paper．A load feedforward control loop parallel with the output voltage feedback control loop is added by a multiply unit．The feedforward signal is multiplied with the output voltage feedback signal and the output signal becomes the carrier wave of OCC modulator，which significantly improves the dynamic response of the converter due to load variation．Besides，two compensation methods of adaptive output current ripple are designed to offset the second line harmonic of output current signal，which reduce the distortion of the PFC converter input current in steady state．At the end，based on single-phase Boost PFC converter，the simulations and experimental results verified the feasibility and superiority of the proposed control approach．

PFC;one-cycle control;load dynamic response;ripple compensation

TM461

:A

:1003-3076(2014)01-0042-05

2012-05-20

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2011J01294)

黃 超 (1985-)，男，福建籍，博士研究生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮优c電力傳動;林維明 (1964-)，男，福建籍，教授/博導(dǎo)，博士，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)。