新型單周期控制的無(wú)橋Boost PFC變換器

溫向宇，趙麗平，李健華，吳志堅(jiān)

（西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 ，四川 成都 610031）

引言

近年來(lái)，一種新的控制方式——單周期控制(OCC)技術(shù)[1-2]得到廣泛關(guān)注，與傳統(tǒng)的控制算法相比，單周控制不需要乘法器，采樣電路簡(jiǎn)單且抗干擾能力強(qiáng)。但工作于連續(xù)導(dǎo)電模式CCM(Continuous Conduction Mode)的單周控制PFC變換器電感尺寸過(guò)大，二極管存在反向恢復(fù)問(wèn)題；工作于斷續(xù)導(dǎo)電模式DCM(Discontinuous Conduction Mode)的單周控制PFC變換器電流應(yīng)力大，電磁干擾嚴(yán)重。上述問(wèn)題限制了系統(tǒng)功率因數(shù)進(jìn)一步的提升。

文中將混合模式HCM (Hybrid Conduction Mode)下的改進(jìn)型單周控制應(yīng)用到無(wú)橋Boost PFC電路中，很好的解決了二極管反向恢復(fù)和電磁干擾(EMI)問(wèn)題，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)功率因數(shù)，同時(shí)控制電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，便于日后工程應(yīng)用。

1 控制策略及工作原理

工作于HCM下的單周控制方程是在CCM模式和DCM模式控制方程的基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)、整合得到，在此，先需了解CCM和DCM模式的工作原理。

1.1 CCM工作模式

該模式下的控制方程為：

式中：Vm為控制變量Vm=VO/Re；iL為平均輸入電流；Re為變換器輸入電阻；TS為開(kāi)關(guān)周期?？紤]到IG=VG/Re，則：

式中：VO為輸出電壓；VG為輸入電壓；IG為輸入電流。Vm與輸入電流成正比關(guān)系，通過(guò)電流傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電流的實(shí)時(shí)檢測(cè)。

1.2 DCM模式

DCM模式下的基本型控制方程為

d 為占空比；其中

式中：fs為開(kāi)關(guān)頻率；L為升壓電感。由式(3)可知，該模式控制電路的實(shí)現(xiàn)需要借助于電壓傳感器，這與借助電流傳感器實(shí)現(xiàn)的CCM模式控制電路是截然不同的，因此，要想實(shí)現(xiàn)兩種模式的整合，需要對(duì)式(3)，即DCM模式的控制方程進(jìn)行適當(dāng)?shù)淖冃蝃3]。考慮到

將式(4)和(5)帶入式(3)得到

式(6)化簡(jiǎn)為：

其中，Vm=VO/Re，Vn=VO/(2LfS)=KVVO此時(shí)的控制變量Vm和CCM模式下的控制變量完全相同，即此時(shí)的Vm與輸入電流成正比關(guān)系。

DCM模式新的控制方程如式(6)所示。它的主要特點(diǎn)是用電流傳感器代替電壓傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)控制電路輸入的采樣，同時(shí)為下一步DCM和CCM模式的整合創(chuàng)造了條件。

1.3 HCM模式

（1） 理論依據(jù)

由以上分析可知，DCM和CCM模式的控制變量均與輸入電流成正比關(guān)系，且都需要使用電流傳感器，因此便可以整合以上兩種工作模式形成全新的HCM模式單周控制策略[4]。該模式包含的兩個(gè)控制變量Vm相同，因此可以使用相同的輸出電壓PI控制器。HCM單周控制無(wú)橋Boost PFC電路如圖1。

圖1 HCM模式下的單周控制原理圖

（2）工作原理

在時(shí)鐘信號(hào)的作用下，一開(kāi)始開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，在此期間，載波輸出大于電流傳感器的檢測(cè)值，在TON的末端，電流檢測(cè)值等于載波輸出，A7輸出為‘0’，觸發(fā)器復(fù)位，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。若在TON期間，檢測(cè)到輸入電流為零或負(fù)值，A5輸出為‘0’qDCM=1，進(jìn)入DCM模式，若無(wú)，則維持CCM模式；若檢測(cè)到Vm大于Vn時(shí)，A6輸出為‘0’，qDCM=1,進(jìn)入 CCM模式。 工作模式的切換僅發(fā)生在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間，其工作模式的切換是通過(guò)檢測(cè)二極管的反向恢復(fù)電流實(shí)現(xiàn)的。

1.4 二極管反向恢復(fù)問(wèn)題的抑制

高頻功率二極管在電力電子裝置中的應(yīng)用極其廣泛，但二極管在由導(dǎo)通變?yōu)榻刂範(fàn)顟B(tài)過(guò)程中，存在反向恢復(fù)現(xiàn)象，這會(huì)引起二極管損耗增大，電路效率降低以及EMI增加等問(wèn)題，這一問(wèn)題在大功率電源中更加突出。若將電路工作在DCM模式下，當(dāng)開(kāi)關(guān)管S開(kāi)通時(shí)，二極管的電流已經(jīng)下降到零，這時(shí)不存在反向恢復(fù)電流流入開(kāi)關(guān)管，但是DCM模式下PFC電感上電流脈動(dòng)很大，其峰值電流為平均電流的兩倍，增加了開(kāi)關(guān)管和輸出二極管的電壓應(yīng)力。本文采用HCM單周控制和串聯(lián)飽和電抗器相結(jié)合的方法來(lái)解決這一問(wèn)題，工作過(guò)程如圖2所示。第Ⅰ階段，通過(guò)D的電流很大，電抗器LS飽和，電感值很?。坏冖螂A段，當(dāng)二極管電流開(kāi)始下降時(shí)，LS仍很??；第Ⅲ階段，二極管電流反向，此時(shí)變換器被切換至DCM模式，反向恢復(fù)過(guò)程開(kāi)始，LS值很快增大，抑制了反向恢復(fù)電流的增大，這樣就使電流變成di/dt較小的軟恢復(fù)，使二極管的損耗減小，同時(shí)抑制了一個(gè)重要的噪聲源；第Ⅳ階段二極管反向恢復(fù)結(jié)束；第Ⅴ階段二極管再次導(dǎo)通，由于電流增大，LS很快飽和。從圖3所示可以看到在開(kāi)關(guān)開(kāi)通前二極管上的電流已基本恢復(fù)到零，二極管的方向恢復(fù)電流得到抑制，與前面理論分析相符。

圖2 反向恢復(fù)電流

圖3 反向恢復(fù)過(guò)程波形圖

2 穩(wěn)定性分析

提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵在于電壓反饋環(huán)節(jié)的設(shè)計(jì)。電壓反饋環(huán)原理框圖如圖4所示。

（1）開(kāi)環(huán)增益

（2）輸出分壓傳遞函數(shù)

對(duì)于恒定功率負(fù)載時(shí)，傳遞函數(shù)G(S)H3(S)為：

（3）誤差傳遞函數(shù)

H2(S)是為了提供足夠的相位裕度和帶寬限制，一般把H2(S)的零點(diǎn)頻率設(shè)置為小于10 Hz以便得到足夠的相位裕度極點(diǎn)設(shè)置為1 kHz（遠(yuǎn)低于開(kāi)關(guān)頻率）以避免開(kāi)關(guān)噪聲的影響[5]。

系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：

圖4 電壓反饋環(huán)原理圖

圖5 系統(tǒng)開(kāi)環(huán)Bode圖

系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)Bode圖如圖5所示。由于此系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)的特征根全部位于S平的左半部分，所以開(kāi)環(huán)穩(wěn)定。根據(jù)Bode圖和奈氏判據(jù)可知在開(kāi)環(huán)對(duì)數(shù)幅頻特性大于0 dB所有頻段里，對(duì)數(shù)相頻特性曲線φ(ω)與-180°線的正負(fù)穿越次數(shù)相等，都為零，所以該系統(tǒng)閉環(huán)仍是穩(wěn)定的[6-7]。

3 仿真結(jié)果

采用Matlab/SIMULINK對(duì)HCM單周控制的無(wú)橋PFC電路進(jìn)行了建模仿真。輸入電壓Vin為85～264 V，升壓電感 L=750 μH，輸出電壓 VO=385 V，輸出電容CO=1 000 μF/450 V，工作頻率為100 kHz,輸出功率300 W。

圖6 空載到滿載跳變波形

圖7 滿載到空載跳變波形

圖8 控制算法輸出響應(yīng)對(duì)比波形

圖9 控制算法輸入電流過(guò)零對(duì)比波形

表1 目標(biāo)參數(shù)與網(wǎng)壓關(guān)系

主要對(duì)系統(tǒng)滿載時(shí)的電壓、電流，及滿載到空載、空載到滿載的跳變進(jìn)行仿真。從圖6、圖7可以看出：在負(fù)載變化比較大時(shí)，回路調(diào)整到穩(wěn)定的時(shí)間較短，且電路最終都能把輸出電壓調(diào)整到額定值附近，說(shuō)明整個(gè)電路收斂，最終都能穩(wěn)定工作；從圖8可以看出改進(jìn)型單周控制比傳統(tǒng)控制算法具備更快的輸出響應(yīng)，從圖9可以看出傳統(tǒng)控制算法存在輸入電流過(guò)零畸變問(wèn)題，新型單周控制下輸入電流波形平滑過(guò)渡，削弱了二極管反向恢復(fù)問(wèn)題。

當(dāng)負(fù)載為滿載300 W、開(kāi)關(guān)頻為100 kHz時(shí)，輸入電壓和總諧波畸變率(THD)的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1，可以看出在輸入電壓為AC 115 V、滿載輸出時(shí)，THD＜5%，且此時(shí)的功率達(dá)到0.998，表明系統(tǒng)的EMI問(wèn)題得到了很好的抑制，抗干擾能力強(qiáng)。

4 結(jié)論

分析了新型單周期控制的無(wú)橋Boost APFC電路的基本工作原理，在此原理基礎(chǔ)上搭建模型，并對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明：基于新型單周期控制的APFC電路與傳統(tǒng)單周控制電路相比，動(dòng)態(tài)響應(yīng)更快，無(wú)二極管反向恢復(fù)問(wèn)題，且抗干擾能力強(qiáng)。

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