無橋PFC電源的單周期控制及EMI抑制

楊昕樵，易映萍，胡四全

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093；2.許繼柔性輸電系統(tǒng)公司，河南 許昌 461000)

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無橋PFC電源的單周期控制及EMI抑制

楊昕樵1，易映萍1，胡四全2

(1.上海理工大學(xué) 光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093；2.許繼柔性輸電系統(tǒng)公司，河南 許昌 461000)

為解決5 kW以上直流穩(wěn)壓電源前級PFC電路的動態(tài)響應(yīng)與電磁干擾問題，同時減少系統(tǒng)損耗，文中分析了基于單周期控制原理的無橋PFC電路模型，針對無橋結(jié)構(gòu)嚴(yán)重的電磁干擾問題設(shè)計了數(shù)字有源EMI濾波器，在理論基礎(chǔ)上進(jìn)行仿真分析并設(shè)計了實驗樣機。實驗及仿真結(jié)果證明，該數(shù)字有源EMI濾波器能較好地解決無橋結(jié)構(gòu)的EMI問題，同時也說明了單周期算法對于無橋結(jié)構(gòu)的適用性。

無橋電源；功率因數(shù)校正；EMI抑制；單周期控制

近年來，電力電子裝置被廣泛應(yīng)用于電動汽車領(lǐng)域中的電池管理、電機控制等方面。然而隨著大功率充電樁的廣泛普及，以及電動汽車對于充電設(shè)備電氣性能的較高要求，與之配合的功率因數(shù)校正(Power Factor Correction，PFC)技術(shù)亟待發(fā)展更新[1]。使用傳統(tǒng)模擬芯片的有橋Boost結(jié)構(gòu)功率因數(shù)校正電路損耗高、動態(tài)響應(yīng)較慢，而無橋結(jié)構(gòu)由于其低損耗、高可靠性的特點，是目前實現(xiàn)大功率PFC的良好選擇[2]。針對無橋電路的特點采用合適的控制算法與EMI抑制電路是無橋PFC應(yīng)用的前提。

1 傳統(tǒng)有橋與新型無橋PFC的對比

傳統(tǒng)控制算法使用電壓外環(huán)配合電流內(nèi)環(huán)的控制方式，需要輸入電壓、電流與直流側(cè)電壓采樣。內(nèi)部集成模擬乘法器、三角波發(fā)生器，通過檢測電流均值控制開關(guān)管占空比，最終調(diào)節(jié)電流波形。這種控制策略導(dǎo)致外圍輔助電路復(fù)雜。而單周期控制策略的應(yīng)用無需交流側(cè)電壓采樣與模擬乘法器，簡化了電路設(shè)計[3]。

傳統(tǒng)有橋PFC基于Boost電路結(jié)構(gòu)，整流橋的存在導(dǎo)致了不可避免的通態(tài)損耗，在應(yīng)用于10 kW鋰電池充電裝置中，僅整流橋的損耗就會占到功耗的1%～2%[4]。相比之下，無橋PFC電路省去了二極管整流器，通過兩個功率MOSFET開關(guān)管與兩只快恢復(fù)二極管組成全橋，如圖1這種結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵問題是交流側(cè)與直流側(cè)無法共地，傳統(tǒng)應(yīng)用上需要設(shè)計復(fù)雜的交流電壓檢測裝置來解決采樣共地問題。針對此種情況，單周期控制算法不需要檢測交流電壓量。與此同時，相比較于有橋結(jié)構(gòu)，由于電路交流側(cè)浮于直流側(cè)地，寄生電容充放電過程導(dǎo)致了無橋結(jié)構(gòu)存在很大的共模干擾[5]，需要特別設(shè)計EMI濾波器，這也是無橋結(jié)構(gòu)PFC電路需要解決的關(guān)鍵問題。

2 無橋PFC結(jié)構(gòu)與原理

無橋PFC電路實際上是一種單相全橋結(jié)構(gòu)[6]，即每個橋臂均有一個開光管與快恢復(fù)二極管。當(dāng)輸入電壓位于正半周時，若S1、S2導(dǎo)通，如圖1(a)所示，電流經(jīng)過S1流經(jīng)S2寄生二極管返回交流側(cè)，電感完成儲能過程；若S1、S2關(guān)斷，如圖1(b)所示，電流經(jīng)過D1到達(dá)負(fù)載，流經(jīng)S2的寄生二極管返回交流側(cè)。

圖1 無橋PFC電路結(jié)構(gòu)與工作原理

當(dāng)輸入電壓位于負(fù)半周時，同理，開關(guān)管導(dǎo)通時，如圖1(c)所示，電流經(jīng)過S2與S1的寄生二極管完成電感儲能；關(guān)斷時，如圖1(d)所示，電流流經(jīng)D2、負(fù)載與S1寄生二極管完成直流側(cè)供電過程。可見，僅需要兩路相同的門級信號即可完成對電路的控制。由此原理可知，此種無橋PFC電路與Boost電路一樣，通過改變開關(guān)管的開通與關(guān)斷，改變輸出的直流側(cè)電壓與交流側(cè)電流，實際上，可將此電路等效于兩個工作于不同交流電壓半周的Boost結(jié)構(gòu)PFC的組合[7]。

3 單周期控制原理

單周期控制是一種非線性大信號控制理論，其特點是每個開關(guān)周期變量的均值嚴(yán)格正比于控制參考量，這就使系統(tǒng)所控的輸入電流不受負(fù)載的變化而發(fā)生畸變，并且由于可以在一個周期內(nèi)實現(xiàn)對目標(biāo)量的控制，大幅提高了系統(tǒng)動態(tài)性能。文獻(xiàn)[8]中對單周期原理以及此控制策略在功率因數(shù)校正中的可行性進(jìn)行了建模分析，證明了單周期控制算法適用于傳統(tǒng)PFC控制器。

功率因數(shù)校正的基本要求是輸入電流波形正弦化且與電壓波形相位一致，也就是要求變換器整體輸入阻抗呈純阻性，定義系統(tǒng)等效阻抗為Re，PFC過程實現(xiàn)的即是表達(dá)式[8]

Vin=ReiL

(1)

設(shè)等效電流采樣電阻為Rs，根據(jù)Boost電路模型在一個開關(guān)周期內(nèi)，變換器輸入輸出關(guān)系為

(2)

其中，D為周期內(nèi)的開關(guān)占空比，可得采樣與輸出電壓關(guān)系

(3)

合并公式，可得

(4)

排除紋波影響，將輸出Vo看作是定值，針對一個開關(guān)周期進(jìn)行分析。由式(3)可知，調(diào)制電壓Vm也是恒定的，即得到了輸入電流和輸入電壓的關(guān)系，電流總是跟隨電壓變化，同時可以得到控制目標(biāo)方程

Vm-iLRs=DVm

(5)

單周期控制中，當(dāng)輸入或負(fù)載變化時，在每個控制周期，占空比都會隨著系統(tǒng)狀態(tài)的改變而變化，沒有傳統(tǒng)意義上的瞬態(tài)過程。相比于傳統(tǒng)的控制方式，這顯然增強了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)能力。

在控制周期內(nèi)，系統(tǒng)控制方程可由式(6)表示，調(diào)制電壓V1與積分電壓V2通過比較器后，即可得每個開關(guān)周期的占空比

(6)

根據(jù)對CLOCK時鐘信號的不同響應(yīng)，單周期可分為兩種不同的調(diào)制類型。時鐘控制開關(guān)管關(guān)斷為前沿調(diào)制，相反，控制開關(guān)管開通為后沿調(diào)制。圖2框中給出了前沿控制框圖，可得出PWM開關(guān)周期與電感電流之間的對應(yīng)關(guān)系。

前沿調(diào)制適用于電感電流連續(xù)的平均電流控制策略，而與前沿調(diào)制不同，后沿調(diào)制一般用于峰值電流控制[9]。

圖2 單周期控制框圖

4 數(shù)字EMI濾波器

數(shù)字EMI濾波器理論上是一種高效的諧波抑制裝置，可以解決無橋PFC經(jīng)常使用無源EMI濾波裝置體積大、功耗高的問題，并且沒有電感電容的寄生與高頻扼流圈磁芯飽和的現(xiàn)象。其基本工作原理是采樣原始信號中的高頻部分，經(jīng)過反相器后重新注入原信號中，使得高頻部分被抵消抑制[10]。

數(shù)字EMI濾波系統(tǒng)包括采樣、數(shù)字處理及模擬信號注入部分。在采樣時，使用高通濾波器濾出高頻信號，經(jīng)過反向后，再通過低通濾波器濾出數(shù)字處理時產(chǎn)生的更高頻雜波，后注入電路中。另外，在設(shè)計過程中，為了使注入點與采樣點的耦合盡可能低，防止過大的環(huán)流產(chǎn)生，可加入解耦變壓器，將D/A轉(zhuǎn)換器的電流并入主電路中[11]，控制結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 數(shù)字控制EMI濾波器結(jié)構(gòu)

高通濾波器采樣單倍增益二階有源巴特沃斯結(jié)構(gòu)，其傳遞函數(shù)為

(7)

其中，截止頻率為

(8)

低通濾波使用一階無源RC結(jié)構(gòu)，傳遞函數(shù)為

(9)

在無橋PFC結(jié)構(gòu)中，根據(jù)電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)定義，傳導(dǎo)干擾信號一般在150 kHz～300 MHz之間，即可選取fH為150 kHz，fB為300 MHz。

反相器由主控FPGA芯片擔(dān)當(dāng)，其中，G(s)=-K，同時，由于采樣與注入部分的數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換過程，分析時需要串入零階保持器，其中T為采樣周期

Z(s)=(1-e-sT)/s

(10)

實際系統(tǒng)中，并不能做到絕對的實時采樣與注入，故使用Delay函數(shù)來模擬系統(tǒng)的遲滯性

D(s)=e-τs

(11)

其中，τ為延遲時間常數(shù)。

最終，得到數(shù)字EMI濾波器的閉環(huán)傳遞函數(shù)為

(12)

將濾波器并入無橋電路中，可得系統(tǒng)完整的控制圖。

圖4 系統(tǒng)控制框圖

針對上述無橋結(jié)構(gòu)電路，并結(jié)合單周期算法控制模型，可建立無橋電路開環(huán)傳遞函數(shù)模型[12]

(13)

不考慮傳感器增益與誤差，分析有源EMI濾波器對于無橋模型在階躍響應(yīng)下的影響，如圖5所示。實線為無任何濾波器的系統(tǒng)階躍響應(yīng)，虛線為加入了數(shù)字有源EMI濾波器的階躍響應(yīng)曲線，由圖可見，濾波器的加入改善了系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度，超調(diào)減小。

圖5 階躍信號下的系統(tǒng)響應(yīng)

5 仿真分析

基于Plecs仿真軟件，搭建無橋單周期控制PFC與有源數(shù)字EMI濾波器仿真模型，仿真系統(tǒng)參數(shù)如表1所示。

表1 無橋PFC仿真系統(tǒng)參數(shù)

在無施加外部干擾時，獲得如下仿真結(jié)果。如圖6所示，系統(tǒng)穩(wěn)定時交流側(cè)電壓電流波形相位一致，經(jīng)過功率因數(shù)測量單元，得到功率因數(shù)為0.99以上，可實現(xiàn)PFC電路基本的單位功率因數(shù)調(diào)節(jié)功能。突加負(fù)載時，在控制周期內(nèi)，電流波形迅速響應(yīng)負(fù)載變化而增大幅值，同時保持與電壓的相位一致。

圖6 交流側(cè)電壓電流波形

測試系統(tǒng)對于外部的傳導(dǎo)干擾的電磁敏感度，在交流側(cè)施加頻率為10 MHz，幅值為15 V的干擾信號，無數(shù)字濾波器，僅有一組共模抑制變壓器，此時的橋前輸入電壓波形如圖7上半部分所示。雖然經(jīng)過了共模抑制變壓器，高頻的干擾信號仍然沒有完全消除，輸入橋臂的電壓由于干擾依然存在較大的紋波。

圖7 交流側(cè)電壓局部圖

圖7下半部分為經(jīng)過數(shù)字EMI濾波器的電壓局部圖，可見系統(tǒng)有著很好的濾波效果。在仿真中，如果使用理想運放器件，可以完全消除干擾信號。然而由于采樣與注入延遲時間的存在，會導(dǎo)致濾波性能下降，因而在實際應(yīng)用中，此種EMI濾波器需要快速A/D與D/A硬件支持[13]。

6 樣機設(shè)計

基于上述原理與仿真研究，設(shè)計了基于FPGA主控平臺的樣機。其中FPGA主控芯片負(fù)責(zé)單周期控制算法與數(shù)字EMI濾波器中的數(shù)據(jù)處理與反相器的實現(xiàn)。主控芯片外部掛載250 MSample·s-1以上的A/D轉(zhuǎn)換芯片[14]，并有相應(yīng)的信號調(diào)理與供電電路。電路參數(shù)如表2所示。

表2 樣機參數(shù)

樣機運行時的交流側(cè)電壓電流波形如圖8所示。

圖8 交流側(cè)電壓電流波形

7 結(jié)束語

本文對無橋結(jié)構(gòu)PFC的研究證明了前沿型單周期控制算法能滿足無橋結(jié)構(gòu)的控制要求。同時針對無橋結(jié)構(gòu)的EMI問題設(shè)計了數(shù)字EMI濾波器。結(jié)合實際應(yīng)用，分析了無橋結(jié)構(gòu)的控制模型并進(jìn)行了電路設(shè)計。

無橋結(jié)構(gòu)在PFC中的研究已有很多，針對其EMI問題多數(shù)學(xué)者使用改良的硬件電路結(jié)構(gòu)加以解決，然而過多的EMI抑制器件削弱了無橋結(jié)構(gòu)低損耗的優(yōu)勢[15]。本文提出的單周期控制結(jié)合EMI濾波算法趨向于在軟件層面解決此類問題，同時也利用了FPGA的快速并行處理能力[16]。

樣機主控與信號調(diào)理板造價仍比較昂貴，并沒有在此方面與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)拉開距離。對成本問題的優(yōu)化是接下來要研究的課題。

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One Cycle Control Principle and EMI Suppression of Bridgeless Power Factor Correction Power Supply

YANG Xinqiao1，YI Yingping1，HU Siquan2

(1 School of Optical-Electronic Information and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.Xuji Flexible Transmission System Corporation,Xuchang 461000, China)

In order to solve the problem of electromagnetic interference and dynamic response of 5KW DC power supply PFC circuit, and reduce the loss of the system, analyzes the principle of one cycle control model based on bridgeless PFC circuit, and serious electromagnetic interference problem of bridgeless structure, design a kind of digital active EMI filter, finally design an experimental prototype based on the theory of simulation. The experimental and simulation results show that this digital active EMI filter can solve the EMI problem of the bridgeless structure, and it also shows the applicability of the one cycle control algorithm to the bridgeless structure.

no bridge power supply;power factor correction;EMI suppression;one cycle control

2016- 10- 26

楊昕樵(1992-)，男，碩士研究生。研究方向：電力電子與電力傳動。易映萍(1967-)，女，副教授。研究方向：電力電子與電力傳動。胡四全(1976-)，男，高級工程師。研究方向：直流輸電系統(tǒng)控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.037

TN86

A

1007-7820(2017)08-134-05