基于saber的PFC Boost變換器仿真研究和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

周 濤，程為彬，郭穎娜

（西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院，陜西 西安 710065）

0 引言

Boost變換器經(jīng)常用于對(duì)直流電壓變換的設(shè)備中，變換器穩(wěn)壓系統(tǒng)的設(shè)計(jì)對(duì)變換器的性能以及開(kāi)關(guān)器件的安全有著重要的影響。在DC/DC變換器中，除Buck變換器外，Boost、Buck-Boost和Cuk變換器的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)均有一個(gè)位于右半平面的零點(diǎn)，使得使用單一的反饋電壓控制環(huán)難以同時(shí)保證系統(tǒng)在受到某種擾動(dòng)作用時(shí)，既有很好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)又不致造成系統(tǒng)失穩(wěn)。為此，必須在開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)中獲取更多的反饋信息，以實(shí)現(xiàn)雙環(huán)或多環(huán)控制,以獲得比單環(huán)控制更好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。然而，雙環(huán)開(kāi)關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的分析或設(shè)計(jì)是較為困難的.原因是系統(tǒng)固有的強(qiáng)非線性，以及被檢測(cè)的電流中既有直流分量也有交流分量，兩者同時(shí)對(duì)系統(tǒng)導(dǎo)通比d的生成產(chǎn)生影響[1]。

由于Boost、Buck-Boost變換器均為二階系統(tǒng)，有兩個(gè)狀態(tài)變量(電感電流和電容電壓)，因此，在開(kāi)關(guān)調(diào)壓系統(tǒng)中取輸出電壓和電感電流兩種反饋信號(hào)實(shí)現(xiàn)雙環(huán)控制，符合最優(yōu)控制規(guī)律，可以獲得更好的動(dòng)態(tài)品質(zhì)。在雙環(huán)控制中，又分為峰值電流控制模式、平均電流控制、滯環(huán)電流控制模式[2]。在這3種模式中,峰值電流控制使電流峰值和平均值之間存在誤差，無(wú)法滿足總諧波失真度(THD)很小的要求；不僅電流峰值對(duì)噪聲敏感，而且需要在比較器輸入端加斜坡補(bǔ)償函數(shù)。滯環(huán)電流控制由于開(kāi)關(guān)頻率隨占空比變化，存在電流過(guò)零點(diǎn)的死區(qū)問(wèn)題：由于負(fù)載對(duì)開(kāi)關(guān)頻率影響很大，濾波器設(shè)計(jì)只能按最低頻率設(shè)計(jì)；同時(shí)滯環(huán)寬度對(duì)開(kāi)關(guān)頻率和系統(tǒng)性能影響較大，需合理選取。

平均電流控制由于電流環(huán)有較高的增益帶寬，具有跟蹤誤差小、動(dòng)態(tài)特性較好的特點(diǎn)，還具有THD小、對(duì)噪聲不敏感的優(yōu)點(diǎn)，適用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合。平均電流控制模式與峰值電流控制模式相比，具有控制精度高、抗噪性能優(yōu)越、不需斜坡補(bǔ)償以及易于實(shí)現(xiàn)均流等優(yōu)點(diǎn)[3]。

1 平均電流控制模式的原理

平均電流控制型的功率因數(shù)校正Boost變換器的原理圖如圖1所示。

圖1 Boost型平均電流控制法PFC電路控制原理圖

在這種APFC控制方法中，采用了電流控制環(huán)和電壓控制環(huán)，其中電流控制環(huán)使輸入電流更接近正弦波，電壓控制環(huán)使Boost電路輸出的電壓更穩(wěn)定。基準(zhǔn)電流由輸入整流電壓與輸出電壓誤差放大信號(hào)的乘積組成，其中從輸入整流電壓取樣的目的是使基準(zhǔn)電流與整流后的電壓波形同相，通過(guò)控制電流控制型脈寬調(diào)節(jié)器的占空比，使電感電流iL逼近平均電流iave，其波形見(jiàn)圖2所示。當(dāng)電感電流上升時(shí)占空比下降，從而電感電流減?。环粗?，則加大電感電流。當(dāng)輸出電壓Uo上升時(shí)，導(dǎo)致乘法器輸出的基準(zhǔn)電流減小，使電感電流減小，從而使輸出電壓下降，反之，則電感電流增大，使輸出電壓上升。

圖2 平均電流控制技術(shù)電感電流波形圖

2 系統(tǒng)仿真性能分析

運(yùn)用saber可建立起整個(gè)閉環(huán)控制系統(tǒng)的控制仿真模型?？刂葡到y(tǒng)仿真中的模型的特點(diǎn)無(wú)量綱、單向流動(dòng)，所以在控制系統(tǒng)和模擬系統(tǒng)混合仿真的時(shí)候要進(jìn)行信號(hào)轉(zhuǎn)換，這就需要中間模塊，saber元件庫(kù)中的Interface Models可以實(shí)現(xiàn)這一職能。

輸入電壓為130V，負(fù)載電阻為550Ω，輸出電容為150μF時(shí)，得到變換器的動(dòng)態(tài)過(guò)程如圖3所示，從圖4中可以清楚地看到變換器上電后的動(dòng)態(tài)過(guò)程，其中輸出電壓略有超調(diào)，待動(dòng)態(tài)過(guò)程結(jié)束后，電感電流的平均值呈現(xiàn)正弦半波，這時(shí)輸入電流與輸入電壓為頻率和相位都相同的正弦波，功率因數(shù)接近為1，實(shí)現(xiàn)了電路的功率因數(shù)校正功能，同時(shí)輸出電容電壓也呈現(xiàn)周期波動(dòng)，頻率為輸入正弦波頻率的兩倍。

圖3 PFC Boost控制器動(dòng)態(tài)過(guò)程仿真結(jié)果

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論

從對(duì)系統(tǒng)的分析與仿真可以看出，當(dāng)Boost變換器采用平均電流控制模式時(shí)，系統(tǒng)的穩(wěn)定性得到了保證,動(dòng)態(tài)特性得以改善。采用UC3854芯片搭建boost功率因數(shù)控制器的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)波形圖

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