單周期控制的BoostAPFC理論分析與Simulink仿真

吉亞泰

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310007）

單周期控制的BoostAPFC理論分析與Simulink仿真

吉亞泰

（浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，浙江杭州310007）

為實(shí)現(xiàn)控制簡(jiǎn)單可靠，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，Boost有源功率因數(shù)校正（APFC）采用單周期控制的非線性控制策略.本文對(duì)單周期控制的BoostAPFC進(jìn)行理論分析，并基于Simulink完成建模和仿真.實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)電路輸入功率因數(shù)高、輸出電壓紋波小、電流畸變率小.

單周期控制；Boost變換器；功率因數(shù)校正

1 引言

由于實(shí)際電力電子裝置多采用高頻PWM波驅(qū)動(dòng)，其應(yīng)用中必然產(chǎn)生電網(wǎng)污染，包括注入高次諧波、降低網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)等[1-2].常見解決方法即采用APFC技術(shù).單周期控制的基于Boost結(jié)構(gòu)APFC響應(yīng)速度快，抑制輸入擾動(dòng)和負(fù)載跳變效果好.由于免去入端電壓檢測(cè)和乘法器，控制實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單可靠[3].本文對(duì)單周期控制BoostAPFC進(jìn)行建模，在設(shè)計(jì)原理基礎(chǔ)上，通過仿真對(duì)電路進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，使其在給定參數(shù)下達(dá)到性能優(yōu)良的要求.

2 單周期控制BoostAPFC工作原理

單周期Boost結(jié)構(gòu)APFC電路原理圖如圖1所示[3-4].

圖1 單周期控制的BoostAPFC原理圖

其基本原理即在任意單周期內(nèi)，通過占空比調(diào)整負(fù)反饋，使得開關(guān)管輸出平均值等于參考值.

電流連續(xù)模式下單周期BoostAPFC在任意開關(guān)周期內(nèi)經(jīng)歷兩種狀態(tài)：

開關(guān)管VS導(dǎo)通時(shí)，結(jié)合工程實(shí)際，忽略整流橋壓降、電流采樣電阻壓降、開關(guān)管導(dǎo)通壓降等小量，則電感兩端電壓為uin.此時(shí)電感電流線性增長(zhǎng)，其增長(zhǎng)量ΔiL=uinTsd.

其中，d為占空比，Ts為開關(guān)周期.由于二極管單向?qū)щ娦裕娙莶粫?huì)被短路.

開關(guān)管VS關(guān)斷時(shí)，二極管VD導(dǎo)通，電感將存儲(chǔ)的能量傳輸給電容.忽略整流橋壓降、二極管導(dǎo)通壓降.則電感電流線性減少，其減少量Δi'L=(U-uin)Ts(1-d).其中，U為輸出電壓.

若系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)，一個(gè)周期內(nèi)應(yīng)有ΔiL=Δi'L.由此可知uin=U(1-d).

根據(jù)功率因數(shù)校正要求，輸入電流與輸入電壓成正比，輸入等效阻值為Re，進(jìn)而得到

其中，us為采樣電阻兩端電壓.令

在每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)對(duì)上式積分，得到單周期Boost結(jié)構(gòu)APFC控制方程

輸出電壓分壓后作為輸出采樣送入誤差放大A1，與參考電壓uref比較后，經(jīng)PI控制器后送入積分器A2.置位觸發(fā)器后，積分器輸出正比輸出電壓的三角波.當(dāng)控制方程成立時(shí)，比較器翻轉(zhuǎn)輸出為高電平，觸發(fā)器復(fù)位，積分器結(jié)果清零.此類控制策略使得每個(gè)周期內(nèi)均滿足要求的控制方程，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正.

3 BoostAPFC電路參數(shù)計(jì)算

現(xiàn)設(shè)計(jì)一單相BoostAPFC電路，要求如下：輸入交流電壓有效值90～250V；輸入頻率50Hz；開關(guān)管頻率50kHz；輸出直流電壓不低于400V；輸出功率不低于300W.

3.1 整流橋

選擇整流橋時(shí)其額定電壓必須大于輸入電壓峰值，其額定電流由輸出功率和輸入電壓決定，輸入電流峰值最大值Iinmax計(jì)算式.其中Uinmin為最小輸入電壓.計(jì)算得到Iinmax=5.24A.

3.2 Boost電感

該電感值根據(jù)輸入電流紋波要求確定.考慮極端情況，當(dāng)輸出功率最大，輸入電壓最低時(shí)，輸出電流紋波最大，計(jì)算式.取電感電流紋波ΔiL=20%Iinmax，計(jì)算得到L=1.88mH.

3.3 Boost電容

輸出電容值由輸出電壓維持時(shí)間決定，取維持時(shí)間為Δt=15ms由計(jì)算式.取電容電壓紋波Δu=U-Umin=10%U，通過計(jì)算得到C=296μF.

3.4 功率開關(guān)管和快恢復(fù)二極管

選擇開關(guān)管和二極管時(shí)，其額定電壓必須大于輸出電壓，額定電流必須大于電感電流最大值.結(jié)合實(shí)際和仿真結(jié)果，實(shí)際確定電壓為1.5倍裕量，電流為2倍裕量.

4 Simulink仿真與優(yōu)化

根據(jù)BoostAPFC原理建立的Simulink系統(tǒng)模型如圖2所示.

圖2 Boost APFC的Simulink仿真模型

Simulink模型參數(shù)如下：輸入電壓有效值220V，Boost電感L=1.88mH，電容C=296μF，仿真采用阻性負(fù)載R=500Ω.Simulink模型求解設(shè)置：可變步長(zhǎng)ode45算法，最大步長(zhǎng)10-6s，最大相對(duì)誤差10-4，求解0～0.2s內(nèi)響應(yīng).

PWM波生成電路仿真模型如下所示：

圖3 Boost APFC的PWM波產(chǎn)生電路

圖4為輸入電流在加載Boost APFC前后的波形，由仿真結(jié)果可見未加APFC時(shí)電流嚴(yán)重畸變?yōu)槊}沖波形，總諧波含量高，輸入功率因數(shù)低；加APFC后電流恢復(fù)為與電壓同相位正弦波形（見圖5），提高了功率因數(shù).圖6為Boost APFC整流側(cè)輸入電流（電感電流）和MOSFET驅(qū)動(dòng)PWM波形.

圖4 加入APFC前后輸入電流（上：加入后；下：加入前）

圖5 Boost APFC輸入電壓、電流波形（上：輸入電壓；下：輸入電流）

圖6 電感電流和MOSFET驅(qū)動(dòng)PWM波形（上：電感電流；下：PWM波形）

通過Simulink模型，根據(jù)電壓波形和系統(tǒng)要求對(duì)電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化.如電感值直接影響電流紋波，調(diào)整電感值可以進(jìn)一步減小在該條件下電流紋波，圖7即為L(zhǎng)=1. 88mH和L=4mH情況下輸入電流，可見增大電感值后電流紋波明顯變小.但因電感制造工藝等因素并不采用該方式減小紋波.

圖7 Boost電感優(yōu)化前后電感電流波形（上：優(yōu)化前；下：優(yōu)化后）

同樣的，也可通過改變電容值減小電壓紋波，圖8即為C=296μF和C=500μF情況下輸出電壓，可見增大電容值后電壓紋波明顯減小.

圖8 Boost電容優(yōu)化前后輸出電壓波形（上：優(yōu)化后；下：優(yōu)化前）

5 結(jié)論

本文分析了基于單周期控制的Boost APFC工作原理，并對(duì)其進(jìn)行建模，通過Simulink仿真對(duì)電路進(jìn)行器件參數(shù)調(diào)整.該技術(shù)無需乘法器和輸入電壓檢測(cè)，簡(jiǎn)化APFC控制電路設(shè)計(jì).仿真表明該電路可以實(shí)現(xiàn)高輸入功率因數(shù)、小輸出電壓波紋、低電流畸變率.該仿真結(jié)果確保了實(shí)際工作情況下該電路可靠有效工作，為實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)[5].

〔1〕張占松，蔡宣三.開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

〔2〕王兆安，楊君，劉進(jìn)軍，等.諧波抑制和無功補(bǔ)償[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社.

〔3〕CHOW M H L,LEE Y S,TSE C K.Single-stage single-sw itch PFC regulator w ith unity power factor, fast transient response and low voltage stress[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2000,15(1):156-163.

〔4〕Infineon Technologies.Design Guide for Boost Type CCM PFC w ith ICE2PCSxx[Z].Asia Pacific,2008.

〔5〕王日文，曹文思，程立雪，孫玲.Boost結(jié)構(gòu)單周期控制的有源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31(12)：114-119.

TM46

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1673-260X（2013）12-0056-02