基于Matlab Simulink的無橋PFC變換器的仿真

石 誠，王君艷

（上海交通大學(xué) 電子信息與電氣工程學(xué)院，上海200240）

0 引 言

目前，開關(guān)電源應(yīng)用廣泛，造成了日益嚴(yán)重的諧波污染。功率因數(shù)校正技術(shù)的出現(xiàn)，很好地解決了開關(guān)電源對電網(wǎng)的諧波污染。但是功率因數(shù)校正電路造成了一定的損耗，特別是功率越大，損耗越大，這部分損耗也需要給予足夠的重視。在電源拓?fù)錄]有實(shí)質(zhì)性改變的情況下，為了提高開關(guān)電源的效率，著手于減少PFC部分的損耗。近年來，很多科研機(jī)構(gòu)和電源企業(yè)提出了無橋PFC結(jié)構(gòu)，并付諸于工業(yè)的電源設(shè)計(jì)，取得了節(jié)能環(huán)保的效果和經(jīng)濟(jì)效益。本文運(yùn)用Matlab simulink對CCM模式無橋PFC進(jìn)行仿真研究，對于實(shí)現(xiàn)無橋PFC的數(shù)字化控制，具有指導(dǎo)和驗(yàn)證意義。

1 CCM模式的無橋PFC電路原理分析

圖1為本文仿真用的無橋PFC電路拓?fù)?。該拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)無橋PFC，相對常規(guī)的無橋PFC電路拓?fù)鋪碚f增加了2個(gè)二級管，增加了設(shè)計(jì)成本。但是它相對于傳統(tǒng)拓?fù)涞膬?yōu)勢在于避免電流流過MOS的體二級管，減少M(fèi)OS和PFC電感的損耗，同時(shí)可以減少EMI共模干擾，提高電源效率，增加可靠性。

CCM模式無橋PFC的控制系統(tǒng)與傳統(tǒng)的有橋CCM PFC和CCM交錯(cuò)PFC基本相同，包括電壓控制外環(huán)和電流控制內(nèi)環(huán)組成雙閉環(huán)，電壓環(huán)和電流環(huán)均采用PI控制。電流環(huán)采用滯環(huán)跟蹤網(wǎng)側(cè)電流。電壓環(huán)跟蹤輸出的直流電壓，控制BOOST PFC，輸出電壓穩(wěn)定。

圖1 無橋PFC電路拓?fù)?/p>

2 PI控制器的設(shè)計(jì)

本文以實(shí)現(xiàn)2 000 W無橋PFC轉(zhuǎn)換器為例，主要設(shè)計(jì)參考CCM方法，來驗(yàn)證無橋PFC控制回路的設(shè)計(jì)方法。主要設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)及參數(shù)如下：

輸入電壓：85～265 VAC；輸入頻率：f＝50～60 Hz；輸出電壓：Uo＝400 VDC；輸出功率：2 000 W；效率：η≥95%；開關(guān)頻率：fs＝100 kHz；保持時(shí)間：thold＝20 ms；升壓電感：L＝500μH；輸出電容：Co＝1 880 μF。

2.1 電流環(huán)PI控制器的設(shè)計(jì)

（1）電流環(huán)路

為了設(shè)計(jì)PI控制器，首先需要建立Boost PFC電流環(huán)的傳遞函數(shù)模型。對于Boost PFC電路，由于開關(guān)器件的開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)的工作頻率，所以在功率開關(guān)的周期內(nèi)電網(wǎng)電壓是恒定的，電流也是恒定的。由伏秒平衡的原則得：

對于電網(wǎng)電壓來說電網(wǎng)的瞬時(shí)電壓

則

對于電感中的電流有：

對于給定輸入電壓，給定功率的電路，設(shè)電源的效率為η，則有：

所以交流輸入電流：

對式（8）進(jìn)行拉氏變換后可得：

對式（8）求導(dǎo)可得：

由式（6）可得：

對上式進(jìn)行拉氏變換有：

得到電流環(huán)功率級傳遞函數(shù)如下：

（2）電流PI控制器設(shè)計(jì)

電流環(huán)結(jié)構(gòu)控制框圖如圖2所示。

圖2 電流PI控制器

其中PI控制器傳遞函數(shù)為：

PWM控制器傳遞函數(shù)為：

式中，Um為電流峰值對應(yīng)轉(zhuǎn)換的電壓信號。

電流環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

下面對具體的PI控制器進(jìn)行設(shè)計(jì)：

由上式計(jì)算出電流環(huán)PI控制器的各個(gè)控制參數(shù)，得出最終的PI控制器為：

2.2 電壓環(huán)PI設(shè)計(jì)

電壓環(huán)功率級數(shù)學(xué)模型（如圖3）的設(shè)計(jì)如下：

PFC功率因數(shù)校正的目的是讓輸入電流完全跟蹤輸入電壓波形，且與輸入電壓成比例關(guān)系。

則在單個(gè)橋臂半周期工作時(shí)間內(nèi)考慮的電感電流

電源效率設(shè)計(jì)為η，

對PFC電路輸出側(cè)有

假設(shè)PFC電源為恒功率輸出，因此有Po為常數(shù)。按照小信號進(jìn)行分析的方法有：

電壓PI控制器傳遞函數(shù)為 ：

圖3 電壓PI控制器

電壓環(huán)開環(huán)傳遞函數(shù)為：

為了抑制輸出電壓上的100～120 Hz的工頻電壓紋波，取電壓環(huán)的開環(huán)截止頻率為fcv＝10 Hz，相位裕度為45°。則有

最終構(gòu)建的Matlab Simulink仿真電路如圖4。

3 仿真試驗(yàn)及結(jié)論

Uin＝85 Vac 50 Hz時(shí)的輸入電壓、電流以及輸出電壓波形如圖5所示。圖6為穩(wěn)定后的輸入輸出電壓電流波形。圖7為Q1，Q2的電壓波形與輸入電流波形的對比。圖8為Q1，Q2的電流波形與輸入電流波形的對比。對仿真結(jié)果進(jìn)行FFT分析的結(jié)果如圖9所示，從仿真結(jié)果來看電流與電壓的相位基本相同，功率因數(shù)基本為1。同時(shí)THD只有1.92%遠(yuǎn)小于5%，實(shí)現(xiàn)了良好的功率因數(shù)校正和諧波治理。

圖4 仿真原理圖

圖5 輸入電壓、電流和輸出電壓波形

圖6 穩(wěn)定后輸入電壓、電流以及輸出電壓波形

圖7 Q1，Q2電壓波形與輸入電流波形

圖9 輸入電流FFT分析

4 結(jié)束語

通過使用Matlab Simulink對無橋PFC進(jìn)行電壓環(huán)和電流環(huán)雙閉環(huán)仿真，有效地驗(yàn)證了CCM模式無橋PFC理論的可行性，并對實(shí)踐無橋PFC的設(shè)計(jì)和調(diào)試起到指導(dǎo)作用，提高設(shè)計(jì)和調(diào)試速度，從而加快產(chǎn)品研發(fā)速度。

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