基于單周期控制的Boost型APFC電路設(shè)計及仿真

韓曉鋼 齊鉑金

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191）

基于單周期控制的Boost型APFC電路設(shè)計及仿真

韓曉鋼 齊鉑金

（北京航空航天大學(xué)機(jī)械工程及自動化學(xué)院，北京 100191）

單周期控制策略是一種新型的非線性控制策略，相對于傳統(tǒng)的控制策略具有響應(yīng)速度快、電路實現(xiàn)簡單、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用到電力技術(shù)中。本文采用單周期控制理論，設(shè)計了基于Boost拓?fù)涞挠性垂β室驍?shù)校正（APFC）電路，分析了單周期控制原理、主電路元器件的參數(shù)計算與設(shè)計，并通過建模仿真與實際實驗對比的方法進(jìn)行驗證，結(jié)果證明了電路能夠有效改善輸入電流諧波問題，提高功率因數(shù)，并實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定控制。

單周期控制；功率因數(shù)校正；Boost拓?fù)?；Simulink建模

開關(guān)電源以其獨(dú)特的優(yōu)勢已經(jīng)在電力系統(tǒng)、工業(yè)系統(tǒng)及交通運(yùn)輸領(lǐng)域中被廣泛使用，這其中交流輸入的電力電子裝置占據(jù)了重要地位。目前，大多數(shù)裝置的整流環(huán)節(jié)主要是通過不可控整流電路與電容濾波型電路，但是由于整流二極管的非線性與濾波電容的儲能作用，會導(dǎo)致輸入電流產(chǎn)生尖峰，造成功率因數(shù)低及諧波污染，影響電網(wǎng)的供電質(zhì)量及導(dǎo)致電能的利用率低等問題[1]，因此，必須通過有源功率校正技術(shù)（active power factor correction，APFC）提高裝置的功率因數(shù)，降低諧波畸變率，而應(yīng)用最廣的就是Boost型APFC電路。

相對于Buck、Cuk等拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，Boost型APFC變換器具有輸入電流的高頻紋波小、在整個輸入電壓范圍內(nèi)都能保持高功率因數(shù)和輸出電壓高等優(yōu)點(diǎn)[1-2]，但其控制電路相對復(fù)雜。目前常用的控制方法有平均電流控制、滯環(huán)電流控制及近些年出現(xiàn)的一些非線性智能化。

平均電流控制方法是，通過比較輸入電流與基準(zhǔn)電流，并通過誤差放大器對其進(jìn)行平均化處理，將得到的平均電流與鋸齒波信號進(jìn)行比較得到驅(qū)動開關(guān)管的PWM信號。但其控制電路復(fù)雜，需要乘法器和電流控制環(huán)路[3]。

滯環(huán)電流控制方法相對簡單，通過滯環(huán)邏輯控制器產(chǎn)生驅(qū)動開關(guān)管的PWM波形，當(dāng)檢測的電感電流超過滯環(huán)控制器上限值時，開關(guān)管關(guān)斷，電流下降；當(dāng)達(dá)到下限值時，開關(guān)管導(dǎo)通，電流上升，電流響應(yīng)速度快，但在其開關(guān)管頻率不固定，滯環(huán)帶的寬度對系統(tǒng)性能影響大[4]。

近些年來，針對電力電子裝置的非線性特點(diǎn)，出現(xiàn)了一些新型的智能化控制方法，如單周期控制、滑模變結(jié)構(gòu)、無差拍控制等，相對于傳統(tǒng)的控制策略，這些新穎的控制策略具有控制效率高，動態(tài)響應(yīng)快，對噪聲不敏感等優(yōu)點(diǎn)，得到了人們廣泛的關(guān)注。

本文根據(jù)單周期控制理論，設(shè)計了一種基于單周期控制的Boost型APFC電路。與傳統(tǒng)的電流控制策略相比，采用單周期控制能夠在每個開關(guān)周期內(nèi)抑制輸入電壓波動，具有動態(tài)響應(yīng)快、魯棒性強(qiáng)、不受負(fù)載電流的約束等優(yōu)點(diǎn)[5]。本文對主電路設(shè)計及單周期的控制方法的實現(xiàn)做了分析，最后通過Simulink建模仿真，驗證了所設(shè)計的電路能夠有效解決輸入電流畸變的問題，并提高功率因數(shù)，具有很高的工程應(yīng)用性。

1 單周期控制PFC原理

圖1所示為Boost電路后沿調(diào)制的單周期控制原理圖，主要包括積分器、RS觸發(fā)器、復(fù)位開關(guān)、比較器等模塊。為簡化分析，認(rèn)為電路中所有元器件為理想元器件，忽略電感電流紋波，視開關(guān)管導(dǎo)通電阻為零，忽略能量傳遞中的損失，開關(guān)管的頻率遠(yuǎn)大于輸入電壓的頻率[6]。

圖1 工作原理圖

對工作在電感電流連續(xù)模式（CCM）下的Boost電路，有

式中，Ui和Uo分別為輸入電壓和輸出電壓，d為占空比。

當(dāng)輸入電流與輸入電壓無相位差，即變換器相對于輸入端呈電阻性時，此時輸入功率因數(shù)為 1，為理想狀態(tài)，此時電路滿足

式中，Re即為變換器的等效輸入電阻。

根據(jù)式（1）和式（2）可得

對式（3）兩端同乘Rs可得

式（4）即為連續(xù)模式下的單周期控制方程。在穩(wěn)態(tài)時，可認(rèn)為輸出電壓Uo是定值，通過改變調(diào)制電壓Um可以改變等效輸入電阻Re，從而實現(xiàn)了對輸入功率的控制。

圖2所示為其控制過程中主要的波形圖，包括電感電流、比較器的輸入端電壓V1和V2、比較器輸出端的PWM波形圖及復(fù)位信號。其控制電路的工作過程為：在每個時鐘周期內(nèi)，采樣輸出電壓值與基準(zhǔn)電壓比較后得到電壓誤差值，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)得到Um，同時積分器對Um進(jìn)行積分，作為比較器的反相端值，Um與RsiL的差值作為比較器的正向端值，當(dāng)二者值相等時，比較器的輸出端翻轉(zhuǎn)，控制開關(guān)管定時關(guān)斷，同時積分器復(fù)位，從而實現(xiàn)了對占空比d的控制。

圖2 單周期控制波形圖

2 主電路參數(shù)設(shè)計及計算

本節(jié)介紹所設(shè)計的單相Boost型APFC電路主電路部分重要元器件的參數(shù)設(shè)計與計算過程。設(shè)計要求如下：輸入電壓范圍Uin=90～240VAC；輸入電壓頻率fin=50Hz；輸出電壓Uo=400V；輸出功率Po=3kW；開關(guān)頻率fs=50kHz。

2.1 整流橋的選擇

當(dāng)選擇整流橋時，其額定電壓應(yīng)大于輸入電壓的最大值Uin_max，即

其額定電流應(yīng)大于輸入電流峰值，在輸入電壓最小時輸入電流最大，輸入電壓最小為 90V，此時輸入電流的最大值為

取電路效率η=90%，計算得Ip=52.3A；考慮設(shè)計余量，最終選擇60A/500V的整流橋。

2.2 升壓電感的設(shè)計

電感量決定了輸入的高頻紋波電流，因此電感值的選擇主要根據(jù)電流紋波的大小。在輸入電壓最低且輸出功率為最大時，此時輸入電流紋波最大，該情況下輸入電流為

取電感電流的最大脈動是其峰值的30%，即

計算輸入電壓處于最小值時的占空比，即

電感量的計算式如下：

所以實際選擇電感值為150μH 。

2.3 輸出電容

輸出電容決定了輸出電壓紋波，這里取最大輸出電壓紋波為 10%輸出電壓；則理論最小的電容量為

考慮設(shè)計余量實際選用2200 Fμ 。

2.4 功率開關(guān)管和輸出二極管的設(shè)計

當(dāng)功率開關(guān)管導(dǎo)通時，二極管處于反向截止?fàn)顟B(tài)，此時開關(guān)管的電流為電感電流，二極管承受的反向電壓等于輸出電壓；當(dāng)開關(guān)管關(guān)斷時，二極管此時正向?qū)?，開關(guān)管上的電壓值為輸出電壓，流經(jīng)二極管的電流為電感電流，因此功率管和二極管的額定電壓必須大于輸出電壓，額定電流必須大于電感電流的峰值[7]。

考慮1.5倍的設(shè)計余量：

最后選用額定電流為100A，將耐壓值為600V的IGBT作為開關(guān)管和相同參數(shù)的快恢復(fù)二極管。

3 Simulink建模與仿真

根據(jù)前文分析的APFC電路單周期控制的基本原理，在Matlab/Simulink中搭建本文所設(shè)計的具體電路模型如圖3（a）所示，主要參數(shù)如下：輸入電壓為 220V/50Hz，輸出電壓為 340V，負(fù)載電阻R=640Ω；輸出電壓的采樣電阻R1=1580kΩ、R2=20kΩ；電流采樣電阻Rs=0.02Ω；其他參數(shù)選擇根據(jù)前面的計算選取。Simulink求解模型采用的是可變步長的ode23t算法，相對誤差設(shè)置為10-3，其他參數(shù)設(shè)置為默認(rèn)[8]，仿真時間為 0.2s。Powergui模塊設(shè)置為離散模型，采樣時間為10-6s，結(jié)果如圖3（b）所示。

圖3 基于單周期控制的Boost型APFC電路模型

圖4所示為未加入APFC電路即傳統(tǒng)的不可控制整流電路的輸入電流與電壓的波形圖及傅里葉分析結(jié)果圖。從圖中可以看出，輸入電流發(fā)生嚴(yán)重畸變，諧波畸變率高（THD=92.58%），輸入功率因數(shù)低。

圖5所示為加入單周期控制的APFC電路的輸入電流與電壓波形圖及傅里葉分析結(jié)果圖，輸入電流與輸入電壓為同相位正弦波，電流諧波小（THD= 2.79%），因此輸入功率因數(shù)接近 1，證明了單周期控制APFC電路的有效性。圖6所示為輸出電壓波形圖，輸出電壓能夠保持 400V輸出，說明系統(tǒng)能夠穩(wěn)定控制輸出電壓。

圖4 未加入APFC電路的情況

圖5 加入APFC電路的情況

圖6 輸出電壓波形圖

4 實驗結(jié)果與分析

根據(jù)上述設(shè)計，本文搭建了一臺功率為3kW實驗樣機(jī)進(jìn)行測試，分別得到了輸入電壓為 220V/50Hz條件下的輸入電壓與電流波形圖及輸出電壓波形圖，實際電路測試結(jié)果與仿真波形相符，驗證了電路能夠有效的改善輸入電流畸變問題，得到較高的功率因數(shù)。

圖7 輸入電壓與電流實際波形圖

圖8 輸出電壓實際波形圖

5 結(jié)論

本文采用單周期控制方法設(shè)計了基于 Boost拓?fù)涞腁PFC電路，分析了單周期控制的具體原理及過程，給出了Boost拓?fù)渲饕骷脑O(shè)計及選擇，并通過建模仿真及實際實驗的方法對所設(shè)計電路進(jìn)行了驗證與測試。仿真結(jié)果與實際實驗結(jié)果相符，證明了所設(shè)計電路的能夠有效改善傳統(tǒng)不可控整流電路輸入電流諧波畸變大的問題，提高電路輸入功率因數(shù)，穩(wěn)定控制輸出電壓。由于單周期控制策略本身的動態(tài)響應(yīng)快、電路實現(xiàn)簡單且對噪聲不敏感等特點(diǎn)，所以本文所設(shè)計的APFC電路具有極高的工程應(yīng)用價值。

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[5]趙犇,馬瑞卿.無橋 Buck-Boost PFC變換器中單周期控制與平均電流控制的對比研究[J].機(jī)電一體化,2015,12：23-27,41.

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Single-Phase APFC Converter of Boost Topology based on One Cycle Control

Han Xiaogang Qi Bojin
(Mechanical Engineering School of Beihang University,Beijing 100191)

One Cycle Control technology is a new non-linear strategy.Comparing with traditional control strategies,it has quicker response,easy to implement and more robust and it’s has been widely applied in power electronics.This paper presents a single-phase APFC converter based on Boost topology using OCC.The principle of OCC is analyzed and the main elements in circuit are calculated.The proposed APFC converter has been validated in simulation and experiments.The results show that it can optimize the input current harmonics,improve the power factor and control the output voltage.

one cycle control；power factor correction；boost topology；simulink modeling

韓曉鋼（1991-），男，碩士研究生，主要研究方向為電力電子技術(shù)及現(xiàn)代電源應(yīng)用。