一種新型PFC的控制仿真研究

楊存祥，何康，金楠，馮雪

(鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院，河南鄭州450002)

一種新型PFC的控制仿真研究

楊存祥，何康，金楠，馮雪

(鄭州輕工業(yè)學院電氣信息工程學院，河南鄭州450002)

功率因數(shù)校正(PFC)電路是一種提高功率因數(shù)、減小總諧波的電路，它利用電力電子變換技術(shù)來實現(xiàn)功率因數(shù)校正的功能。介紹了單相PFC電路的優(yōu)點及工作原理，根據(jù)其特點，采用分級控制它的運行、輸入側(cè)采用網(wǎng)側(cè)電流跟隨的方法，并且采用了鎖相環(huán)技術(shù)保證電流和電壓嚴格同相；輸出側(cè)采用重復PI控制策略。采用此控制方法可以使PFC電路在達到傳統(tǒng)整流電路功能的基礎(chǔ)上，進一步提高功率因數(shù)、減小總諧波。通過Matlab/Simulink的仿真實驗，驗證了該方法的可行性。

功率因數(shù)校正；分級控制；Matlab仿真

隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，大量的直流開關(guān)電源正得到越來越多的應(yīng)用，如果沒有經(jīng)過功率因數(shù)校正，開關(guān)電源會對電網(wǎng)造成輸入側(cè)波形畸變、功率因數(shù)降低等問題。如何提高功率因數(shù)，提高電能質(zhì)量，是學者們現(xiàn)在研究的重點。

隨著GTO、IGBT等大功率電力電子器件發(fā)展，電力電子技術(shù)應(yīng)用的范圍越來越廣。有源功率因數(shù)校正(active power factor correction，APFC)電路，是指在傳統(tǒng)的不控整流中融入有源器件，使AC側(cè)電流在一定程度上正弦化，從而減小裝置的非線性，改善功率因數(shù)的一種高頻整流電路[1]。有源功率Boost PFC電路在很多開關(guān)電源中都有著廣泛的應(yīng)用，它有以下優(yōu)點[1]：

(1)有輸入電感，可以減少對輸入濾波器的要求，并可以防止市電電網(wǎng)對主電路的高頻瞬態(tài)沖擊；

(2)功率開關(guān)管和輸出電壓共地，控制驅(qū)動簡單；

(3)可以在國際標準規(guī)定的輸入電壓和頻率的變化范圍內(nèi)保持正常工作；

(4)開關(guān)管的電壓超過輸出電壓值。

本文中功率因數(shù)校正(PFC)電路是根據(jù)輸入側(cè)和輸出側(cè)的不同，采用了不同的控制策略來實現(xiàn)變壓器的功能，最后通過Matlab軟件驗證了這種方案的可行性。

1 工作原理

根據(jù)有源功率因數(shù)校正電路原理圖(圖1)可以看出，交流電源經(jīng)過射頻濾波器RFI濾波器，由橋式整流實現(xiàn)AC-DC變換，輸出雙脈波電壓，d中的高次諧波由小電容1濾波，在整流器和輸出濾波大電容C之間的Boost變換器實現(xiàn)升壓式DC-DC變換?？刂齐娐凡捎秒妷和猸h(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)，在穩(wěn)定輸出電壓0的情況下，力求使經(jīng)過整流后的電流與整流后的電壓d波形相同[2]。

圖1 有源功率因數(shù)校正電路的控制原理

如果射頻RFI和C的濾波效果足夠好，PWM形成電路的開關(guān)頻率足夠高，則電感電流和輸入電流l畸變都很小就越逼近與電源同頻率的雙半波正弦曲線，那么電源端的輸入電流就越逼近與輸入電壓同頻率、同相位的正弦波，實現(xiàn)了功率因數(shù)矯正為1的目標[3]。

2 電流控制環(huán)

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的內(nèi)環(huán)是一個電流控制環(huán)，它由電流調(diào)節(jié)器、PWM比較器和功率轉(zhuǎn)換電路組成，其作用是迫使輸入電流跟蹤輸入電壓的波形?？蓪С鲭娏鳝h(huán)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電流環(huán)結(jié)構(gòu)

功率轉(zhuǎn)換電路的傳遞函數(shù)為：

PWM調(diào)制的傳遞函數(shù)為：

PFC控制芯片中都有一個電流放大器CA，由它組成圖3所示的PI調(diào)節(jié)器。

圖3 電流調(diào)節(jié)器

其傳遞函數(shù)為：

可得電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)：

可見這是一個二階無差系統(tǒng)，它可以無差地跟蹤正弦波輸入函數(shù)，從而使輸出電流無差地跟蹤的波形。

3 電壓控制環(huán)

雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的外環(huán)是一個電壓控制環(huán)，其作用是使輸出電壓保持在高于輸入電壓峰值的電平上，這是PFC所必需的，并且可以起到穩(wěn)定輸出電壓的作用。

包含電流環(huán)、乘法器在內(nèi)的電壓環(huán)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 電壓環(huán)結(jié)構(gòu)

前向通道傳遞函數(shù)：由于電流環(huán)是無差的，故：

乘法器輸出：

故有：

得電壓環(huán)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

PFC芯片中都有一個電壓放大器VA，由它組成如圖6所示的積分調(diào)節(jié)器。

圖5 簡化電壓環(huán)結(jié)構(gòu)

圖6 積分調(diào)節(jié)器

電壓調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)：

可得電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)：

可見，這是一個一階無差系統(tǒng)，它可以無差地跟蹤單位階躍函數(shù)，因此，對于給定REF(定值)，輸出是穩(wěn)定不變的[4]。

4 PI控制及仿真

本方案在傳統(tǒng)的電壓控制和電流控制的基礎(chǔ)上增加了PI調(diào)節(jié)和反饋控制，減少了系統(tǒng)功耗，提高了功率因數(shù)，并用Matlab/Simulink進行仿真。

仿真參數(shù)設(shè)置如下：

輸入側(cè)：網(wǎng)側(cè)電壓220 V，頻率50 Hz，交流側(cè)電感3 mH，直流側(cè)電容3 mF，對于PI模塊，=0.8，=0.75。

輸出側(cè)：電感3 mH，=6，=256。

仿真波形如圖7～圖9所示。

圖7 PFC控制器輸入電壓波形

圖8 PFC控制器輸入電流波形

5 結(jié)論

本文以PFC控制電路為研究對象，對它的工作原理進行了簡單的分析，對它的控制策略做了重點分析。根據(jù)PFC電路的本身特點，在電壓控制和電流控制的基礎(chǔ)上增加了PI調(diào)節(jié)和控制，起到了不錯的效果。

圖9 PFC控制器輸出電壓波形

仿真結(jié)果顯示，輸入電流具有很高的品質(zhì)因數(shù)，基本為標準的正弦波形，與輸入電壓相位相近，實現(xiàn)了高功率因數(shù)。與傳統(tǒng)的控制策略相比，加入PI調(diào)節(jié)和控制后，提高了系統(tǒng)工作的可靠性，能使功率因數(shù)提高到0.98以上，且減少了系統(tǒng)的功耗，仿真結(jié)果驗證了該方案的可行性。

[1]葉斌.電力電子應(yīng)用技術(shù)[M].北京：清華大學出版社，2006.

[2]杜少武，張煒.單級功率因數(shù)校正器的概述與發(fā)展[J].電氣應(yīng)用，2006(10)：23-26.

[3]鄧超平，凌志斌，楊喜軍，等.新型的單相Buck電路實現(xiàn)功率因數(shù)校正[J].上海交通大學學報，2004(8)：32-34.

[4]楊蔭福.電力電子裝置及系統(tǒng)[M].北京：清華大學出版社，2006.

Control strategy research of single phase power electronic transformer

YANG Cun-xiang,HE Kang,JIN Nan,FENG Xue

Power Factor Correction(PFC)was a circuit to improve power factor and reduce total harmonic,power electronic converter technology was used to achieve Power Factor Correction's function.The single-phase Power Factor Correction circuit was introduced,its advantages and the principle of work were expounded.According to the characteristics of the PFC,using hierarchical control its operation,a simple method which following the net side current was elaborated by the input stage,and the phase lock loop technique guarantee strictly in phase current and voltage was adopted.The repeat PI control strategy was used in output side.On the basic of transformer function, the power factor of the PFC could be improved and the total harmonic better could be reduced.The Matlab/Simulink results show that a good performance is owned by the controller.

PFC;hierarchical control;Matlab simulation

TM 643

A

1002-087 X(2015)03-0586-02

2014-08-14

楊存祥(1966—)，男，河南省人，博士，教授，主要研究方向為電氣測量與電機故障診斷技術(shù)。