單周期控制單電感三電平無橋升壓的功率因數(shù)校正

楊慶江,　景艷鳳,　李　曉

(黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

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單周期控制單電感三電平無橋升壓的功率因數(shù)校正

楊慶江,景艷鳳,李曉

(黑龍江科技學(xué)院 電氣與信息工程學(xué)院, 哈爾濱 150027)

為提高逆變器或不間斷電源控制系統(tǒng)的功率因數(shù)，抑制輸入電流的諧波，將單周期控制技術(shù)應(yīng)用到一種新型的單電感三電平無橋升壓功率因數(shù)校正電路，分析其充放電的工作原理與單周期控制模式，建立了單周期控制的單電感三電平無橋升壓電路的Simulink模型。結(jié)果表明：?jiǎn)沃芷诳刂颇軌蛞种戚斎腚娏髦械闹C波，總諧波畸變率為0.1，輸入功率因數(shù)達(dá)0.995。

功率因數(shù); 單周期控制; 單電感三電平無橋

功率因數(shù)校正PFC的目的是糾正電網(wǎng)輸入電流波形,減少輸入電流畸變對(duì)電網(wǎng)的諧波污染,提高開關(guān)電源性能并改善電網(wǎng)質(zhì)量[1]。為進(jìn)一步改善單相電源前級(jí)PFC整流器的性能,越來越多學(xué)者研究無橋PFC電路拓?fù)?。單電感三電平無橋升壓PFC相比傳統(tǒng)的三電平拓?fù)?只有一個(gè)電感,器件利用率高,且具有自然電壓鉗位功能,共模噪聲小,但其輸入電流中有較大的諧波成分,影響輸出電壓的質(zhì)量。

將單周期控制技術(shù)引入到單電感三電平無橋升壓PFC電路,不需要乘法器和輸入電壓檢測(cè),且具有調(diào)節(jié)和控制的雙重功能[2]。分析表明,單周期控制單電感三電平無橋升壓 PFC拓?fù)涞碾娐方Y(jié)構(gòu)及控制簡(jiǎn)單;開關(guān)管承受一半的直流母線電壓,電壓應(yīng)力低。仿真證實(shí)單周期控制能夠抑制諧波、提高功率因數(shù)。

1　PFC工作原理

傳統(tǒng)的三電平無橋升壓PFC整流器的兩個(gè)直流母線上分別包含一個(gè)電感,為了更好的利用器件,且達(dá)到自然電壓鉗位效果,文獻(xiàn)[3]提出只有一個(gè)電感的無橋升壓功率因數(shù)校正電路,如圖1所示。

圖1　單電感三電平無橋升壓 PFC電路

在交流輸入正半周期,MOS管M2工作在PWM模式下,快恢復(fù)二極管DF1則作為升壓電路的續(xù)流二極管工作,如圖2所示。交流輸入負(fù)半周期,MOS管M1工作在PWM模式下,快恢復(fù)二極管DF2則作為升壓電路的續(xù)流二極管工作,如圖3所示(實(shí)線表示工作狀態(tài))。其工作原理波形如圖4所示。

圖2　正半周期充、放電階段

Fig. 2Charging and discharging stage in positive half-line cycle

圖3　負(fù)半周期充、放電階段

Fig. 3Charging and discharging stage in negative positive half-line cycle

圖4　工作原理波形

正半周期充電階段,由圖2a和圖4可見,t0時(shí)刻,M2和DS2導(dǎo)通,DF1承受整個(gè)電壓降,D1無電流而前向偏置,輸入電壓給電感Lin充電,輸入電流iin(t)線性增加,電容C01、C02給負(fù)載供能,D1前向偏置。到t1時(shí)刻M2關(guān)閉時(shí)此過程結(jié)束。

正半周期放電階段,由圖2b和圖4可見,t1時(shí)刻,M2關(guān)斷,電感Lin放電,電流線性減少。電容C01充電,電容C02給負(fù)載供能,DS2前向偏置,DF1和D1導(dǎo)通。到t2時(shí)刻M1開通時(shí)此過程結(jié)束。

負(fù)半周期充、放電階段如圖3所示。

2　單周期控制PFC基本原理

2.1基本原理

單周期控制技術(shù)是20世紀(jì)90年代初發(fā)展起來的一種非線性大信號(hào)PWM控制理論[4-5]。它通過控制開關(guān)的占空比,使每個(gè)開關(guān)周期中開關(guān)變量的平均值嚴(yán)格等于或正比于控制參考量[6-7]。

當(dāng)開關(guān)S的開關(guān)周期TS恒定時(shí),工作過程可用開關(guān)函數(shù):

式中:Ton、Toff——開通、關(guān)斷時(shí)間,Ton+Toff=TS。開關(guān)的占空比K=Ton/TS。

開關(guān)S的輸入量x(t)與輸出量y(t)的關(guān)系為

y(t)=k(t)x(t)。

設(shè)開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于x(t)的頻率,則在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi),x(t)可近似視為恒值,y(t)的平均值:

2.2Simulink仿真

單電感三電平升壓 PFC工作過程計(jì)算:正半周期充電VL=Vin,放電VL=Vin-V0,根據(jù)一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感兩端電壓伏秒平衡(正負(fù)半周期對(duì)稱,先算正半周)可得:

VL(t1-t0)+(Vin-V0)(t2-t1)=0,

(t1-t0)+(t2-t1)=ton,

d=ton/(TS/2),

Ton=2ton。

(1)

因此,Vin=V0(1-d),d為整個(gè)周期的占空比,負(fù)半周期同理。綜上可得Vin=V0(1-d)所以,要通過單周期控制來實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù),只需電感電流iL跟蹤電壓Vin即可,假設(shè)

Vin=ZReiL,

(2)

式中,ZRe為輸入電壓兩端右邊部分的等效電阻。將式(2)帶入式(1)可得iL=(V0/ZRe)(1-K),可用電阻RS來檢測(cè)電感電流,因此單位功率因數(shù)所需的控制方程為

RSiL=Vm(1-K),

整理得

Vm-iLRS=Umd，

式中,Vm=RSV0/Re。

單周期控器主要包括時(shí)鐘發(fā)生器、觸發(fā)器、復(fù)位積分器和比較器,其中復(fù)位積分器是單周期控制的核心。單周期控制PFC的Simulink控制原理如圖5所示。

圖5　單周期控制單電感三電平PFC原理

Fig. 5Operation diagram of one-cycle control single-inductor three-level bridgeless PFC

由圖5可見,當(dāng)時(shí)鐘脈沖到來時(shí),RS觸發(fā)器置位,Q端置“1”,控制開關(guān)管導(dǎo)通,復(fù)位開關(guān)關(guān)斷。在這個(gè)狀態(tài)中,積分器開始工作,積分輸出電壓為VmTon/TS,比較器另一端的輸入電壓為Vin=Vm-iLRS。當(dāng)t/TS=d時(shí),比較器兩端電壓相等,輸出狀態(tài)改變,使RS觸發(fā)器復(fù)位,Q端置“0”,控制開關(guān)管關(guān)斷,復(fù)位開關(guān)導(dǎo)通,直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來。

單電感三電平無橋升壓 PFC電路交流輸入電壓220 V,輸入電感70 μH,輸出電壓±400 V,輸出功率P0為1 000 W,開關(guān)頻率fS為100 kHz。變步長(zhǎng),最大步長(zhǎng)為0.002,仿真時(shí)間0.1 s,仿真算法ode23tb(stiff/TR-BDF2)。

2.3仿真結(jié)果分析

圖6　單電感三電平無橋升壓PFC仿真結(jié)果

Fig. 6Simulation results of single-inductor three-level bridgeless PFC

3　結(jié)束語

在單周期控制下,單電感三電平無橋升壓 PFC可以獲得較高的功率因數(shù),且該控制方法有效地抑制了輸入電流的諧波。較傳統(tǒng)的平均電流控制,這種控制系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、控制簡(jiǎn)單、開關(guān)應(yīng)力小、功率因數(shù)高、體積小、成本低等特點(diǎn)。

[1]HUBER L, JANG Y, JOVANOVIC M. Performance evaluation of bridgeless PFC boost rectifiers[J]. IEEE Appl Power, 2007: 165-171.

[2]張厚生. 基于IR1150的無橋BOOST 高功率因數(shù)與整流器的研究[J]. 電氣傳動(dòng), 2007, 37(9): 32-35.

[3]SU B, ZHANG J, LU Z. Single inductor three-level boost bridgeless PFC rectifier with nature voltage clamp[C]. IEEE Int Power Electronics Conf, Sapporo Japan: IPEC, 2010: 2092-2097.

[4]KEYUEM, SEMDLEY, SLOBOAN CUK. One-cycle control of switching converters[J]. IEEE Trans on Power Electronics, 1995, 10(6): 625-633.

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[7]王晶, 翁國慶, 張有兵. 電力系統(tǒng)MATLAB/Simulink仿真與應(yīng)用[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2008.

(編輯李德根)

Single-inductor three-level bridgeless boost PFC with one-cycle

YANGQingjiang,JINGYanfeng,LIXiao

(College of Electric & Information Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

Aimed at improving the power factor of inverter or uninterrupted power supply control system and inhibiting input current harmonic, this paper introduces the application of one-cycle control strategy to a novel single inductor three-level bridgeless boost power factor correction, the analysis of the principle of charging and discharging and one-cycle control strategy, and the development of the simulation mode of single inductor three-level bridgeless boost power factor correction controlled by one-cycle. The results show that one-cycle control can inhibit the input current harmonic, giving a total harmonic distortion rate of 0.1, and the input power factor of 0.995.

PFC; one-cycle control; single-inductor three-level bridgeless

1671-0118(2012)06-0604-04

2012-09-19

黑龍江省教育廳青年學(xué)術(shù)骨干支持計(jì)劃項(xiàng)目(1154G18)

楊慶江(1969-),男,黑龍江省哈爾濱人,教授,研究方向:電力電子與電力傳動(dòng),E-mail:yqj7962@163.com。

TM714

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