單相PFC輸出母線電壓波動(dòng)抑制與脈動(dòng)功率轉(zhuǎn)移技術(shù)

任玉虎，馬凱莉，王慧馨，王正仕

（1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027；2.駐馬店市供電公司，駐馬店 463000）

單相PFC輸出母線電壓波動(dòng)抑制與脈動(dòng)功率轉(zhuǎn)移技術(shù)

任玉虎1，馬凱莉2，王慧馨1，王正仕1

（1.浙江大學(xué)電氣工程學(xué)院，杭州310027；2.駐馬店市供電公司，駐馬店 463000）

采用電解電容抑制單相功率因數(shù)校正PFC（power factor correction）輸出母線電壓波動(dòng)的方式受到電解電容本身壽命短、體積大等因素限制，難以做到高功率密度以及長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定性。因此，提出一種采用雙向升降壓電路實(shí)現(xiàn)輸出母線功率解耦的策略，從而可移除母線處的電解電容。詳細(xì)分析了解耦電路的基本工作狀態(tài)，并基于相關(guān)參數(shù)的設(shè)計(jì)考慮提出一種新型控制方案，在雙閉環(huán)的基礎(chǔ)上引入輸出母線電壓波動(dòng)加權(quán)控制,進(jìn)一步增加在功率解耦支路與輸出母線之間轉(zhuǎn)移的脈動(dòng)功率，減小母線電壓紋波，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證該電路及控制方案的有效性。

單相PFC；功率解耦；輸出母線電壓波動(dòng)加權(quán)控制

在交流供電場(chǎng)合，功率因數(shù)校正PFC（power factor correction）電路普遍應(yīng)用在電力電子裝置中，以滿足IEC61000-3-2的諧波要求[1]。在單位功率因數(shù)下，輸入瞬時(shí)功率包含直流分量與2倍工頻脈動(dòng)分量[2]，一般輸出側(cè)帶有恒功率負(fù)載，為了實(shí)現(xiàn)輸入瞬時(shí)功率與輸出功率的解耦，通常采用大容量、低成本的電解電容并聯(lián)在直流母線上。然而，電解電容由于其壽命短、穩(wěn)定性差等缺點(diǎn)成為制約電力電子設(shè)備整體壽命的主要因素。因此，針對(duì)如何減小輸出母線解耦電容而以使用壽命更長(zhǎng)的薄膜電容替代，國(guó)內(nèi)外諸多學(xué)者均展開(kāi)了相關(guān)研究。

文獻(xiàn)[2]提出一種降壓型雙向DC/DC變換器，用于實(shí)現(xiàn)單相PWM整流電路的功率解耦，在輸入功率15 kW、輸出電壓紋波2.59%的情況下，經(jīng)過(guò)功率解耦可將輸出母線電容減小至200 μF，功率密度提高1倍，但該電路結(jié)構(gòu)并不能直接控制功率解耦支路吸收的紋波電流；文獻(xiàn)[3-7]采用一種升壓型雙向DC/DC變換器作為直流母線上的功率解耦單元，并針對(duì)其應(yīng)用場(chǎng)合提出了相應(yīng)的控制方案；文獻(xiàn)[8]采用雙向全橋DC/DC變換器吸收脈動(dòng)功率，但該電路所需的功率器件較多，成本較高。

本文在700 W單相Boost PFC電路基礎(chǔ)上，采用雙向升降壓變換器并聯(lián)在直流母線上實(shí)現(xiàn)功率解耦，通過(guò)雙閉環(huán)控制解耦支路電流跟蹤母線上紋波電流，使解耦支路電容電壓在合理范圍內(nèi)波動(dòng)。為了進(jìn)一步減小母線解耦電容、抑制母線電壓波動(dòng)，引入輸出母線電壓波動(dòng)加權(quán)控制，并實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的可行性。

1 電路結(jié)構(gòu)及基本工作原理

具有功率解耦功能的單相Boost PFC電路如圖1所示，其主要輸入輸出波形如圖2所示。對(duì)于功率解耦原理介紹如下。

圖1 具有功率解耦功能的單相Boost PFC電路Fig.1 Single-phase Boost PFC circuit with power decoupling function

圖2 單相Boost PFC電路主要輸入輸出波形Fig.2 Key waveforms of input and output of singlephase Boost PFC

根據(jù)文獻(xiàn)[2-4]的研究結(jié)果可知，當(dāng)功率解耦支路沒(méi)有運(yùn)行時(shí)，流過(guò)輸出電容Co的脈動(dòng)電流可表示為

式中：ps（t）為輸入瞬時(shí)功率；Po和 pripple分別為輸入瞬時(shí)功率的直流分量和脈動(dòng)分量。其中，

式中：Um、Im分別為輸入電壓、輸入電流的幅值；ωs為輸入電壓角頻率。當(dāng)控制功率解耦支路電感上電流平均值等于iripple時(shí)，母線電容上的電流為0，從而實(shí)現(xiàn)功率解耦的功能，減小母線電容并抑制母線電壓紋波。

功率解耦支路電感電流和電容電流波形如圖（3）和圖（4）所示。 當(dāng) iripple＞0 時(shí)，功率解耦支路工作在Boost模式，S2關(guān)斷，S1處于 PWM 調(diào)制狀態(tài)。S1導(dǎo)通時(shí)，電感Lr儲(chǔ)能；S1關(guān)斷時(shí)，Lr釋能，直流母線脈動(dòng)能量轉(zhuǎn)移到功率解耦支路電容Cr上，電容Cr電壓上升。當(dāng)iripple＜0時(shí)，功率解耦支路工作在Buck模式，S1關(guān)斷，S2處于PWM調(diào)制狀態(tài)，電容Cr向直流母線回饋能量，電容Cr電壓下降。

圖3 功率解耦支路電感電流波形Fig.3 Inductor current waveforms of power decoupling branch

圖4 功率解耦支路電容電流波形Fig.4 Capacitor current waveforms of power decoupling branch

忽略Lr上的儲(chǔ)能以及功率器件的損耗，脈動(dòng)能量完全轉(zhuǎn)移到電容Cr上，因此有

式中，VCr_H、VCr_L、VCr和 ΔVCr分別為電容 Cr上電壓的最大值、最小值、平均值和峰峰值。為了減小功率解耦支路的開(kāi)關(guān)損耗，可使電路工作在電感電流斷續(xù)模式，即 t1+t2≤Ts（Ts為功率解耦支路開(kāi)關(guān)周期），則有

另外，Lr的選擇還要考慮最大電感電流Ipk的限制，即

因此可以得到Lr的最小限制條件為

2 功率解耦支路的控制策略

圖5為功率解耦支路的控制框圖，電路的主要控制目標(biāo)是使電感Lr的電流iLr跟蹤紋波電流iripple，同時(shí)，引入電容Cr電壓閉環(huán)，控制電容電壓的平均值。由于輸出母線電壓的波動(dòng)直接受流過(guò)電容Co的紋波電流影響，因此將這一波動(dòng)量引入控制系統(tǒng)。根據(jù)圖2所示的iripple與直流母線電壓Uo之間的相位關(guān)系，可以得到輸出電壓外環(huán)極性判斷規(guī)則，即

其最終結(jié)果是使紋波電流參考增大，從而功率解耦支路與直流母線間轉(zhuǎn)移的脈動(dòng)能量增加，電容Co所處理的能量減小，母線電壓波動(dòng)也隨之得到抑制。

圖5 功率解耦支路控制框圖Fig.5 Control block diagram of power decoupling branch

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表1為實(shí)驗(yàn)電路的關(guān)鍵參數(shù)。由于實(shí)際中難以將紋波電流完全轉(zhuǎn)移到功率解耦支路中，因此直流母線上仍并聯(lián)一個(gè)較小的電容Co來(lái)解耦剩下的脈動(dòng)功率。功率解耦支路正常工作時(shí)，電容Cr上的電壓要始終大于直流母線電壓Uo，同時(shí)，為了盡可能地減小Cr，允許其有較大的電壓波動(dòng)ΔVCr，根據(jù)式（5）可知，當(dāng) VCr=600 V、ΔVCr=100 V 時(shí)，Cr=35 μF，取為33 μF。

圖（6）～圖（8）為電路的主要輸出波形，為了便于觀測(cè)輸出電壓Uo的紋波ΔUo，采用交流耦合測(cè)量。從圖中可以看出，在不加功率解耦支路、直流母線電容為100 μF情況下，輸出電壓紋波的峰峰值為60 V；雙閉環(huán)控制下的功率解耦支路運(yùn)行時(shí)，直流母線電壓峰峰值為19 V；加上直流母線電壓波動(dòng)加權(quán)控制，其峰峰值減小為10.5 V。由此，采用本文所提出的功率解耦控制方法，輸出母線電壓紋波僅為原來(lái)的1/6，在減小母線電容的同時(shí)，顯著地抑制了直流母線輸出電壓波動(dòng)。

表1 實(shí)驗(yàn)電路關(guān)鍵參數(shù)Tab.1 Key parameters of experimental circuit

圖6 不加功率解耦支路的主要波形Fig 6 Key waveforms without power decoupling branch

圖7 雙閉環(huán)控制下的主要波形Fig.7 Key waveforms of dual closed-loop control

圖8 直流母線電壓波動(dòng)加權(quán)控制的主要波形Fig.8 Key waveforms with weighted bus voltage fluctuation control

圖6～圖8中VCr、ILr分別為功率解耦支路電容電壓與電感電流波形。當(dāng)ILr大于0時(shí)，脈動(dòng)能量從直流母線電容經(jīng)過(guò)電感Lr轉(zhuǎn)移到電容Cr上，電容Cr電壓升高；當(dāng)ILr小于0時(shí)，電容Cr電壓下降，脈動(dòng)能量從Cr上轉(zhuǎn)移到直流母線。Cr的電壓波動(dòng)約為85 V，平均值為600 V。加上輸出電壓波動(dòng)加權(quán)控制后，功率解耦支路電感電流與電容電壓波動(dòng)都隨之增加，Cr的電壓波動(dòng)約為100 V，平均值為610 V，也即在功率解耦支路與直流母線之間轉(zhuǎn)移的脈動(dòng)能量變大，輸出電容Co中紋波電流的低頻分量變小，直流母線電壓波動(dòng)也隨之減小。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)具有功率解耦功能的單相PFC電路中輸出母線并聯(lián)的雙向升降壓電路，分析了其基本工作原理，并給出DCM工作狀態(tài)電路關(guān)鍵參數(shù)的選擇方法，最后提出了一種新的控制策略，在雙閉環(huán)的基礎(chǔ)上引入輸出母線電壓波動(dòng)加權(quán)控制，顯著減小了母線電壓紋波以及母線并聯(lián)電容容值，從而可以用薄膜電容替換電解電容，延長(zhǎng)電路的整體壽命。最后搭建了700 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了所提出的控制策略的有效性。

[1]International Electrotechnical Commission.IEC 61000-3-2.Electromagnetic compatibility,Part 3,Section 2.Limits for harmonic current emissions（equipment input current≤16 A per phase）[S].Geneva,Switzerland：IEC,2009,4.

[2]Wang Ruxi,Wang Fei,Boroyevich D,et al.A high power density single-phase PWM rectifier with active ripple energy storage[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2011,26（5）：1430-1443.

[3]Wang Shu,Ruan Xinbo,Yao Kai,et al.A flicker-free electrolytic capacitor-less AC/DC LED driver[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27（11）：4540-4548.

[4]楊洋,阮新波,葉志紅.無(wú)電解電容AC/DC LED驅(qū)動(dòng)電源中減小輸出電流脈動(dòng)的前饋控制策略[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,33（21）：18-25.

Yang Yang,Ruan Xinbo,Ye Zhihong.A feed-forward scheme to reduce output current ripple of an electrolytic capacitor-less AC/DC LED driver[J].Proceedings of the CSEE,2013,33（21）：18-25（in Chinese）.

[5]Kyritsis A C,Papanikolaou N P,Tatakis E C.A novel par-allel active filter for current pulsation smoothing on single stage grid-connected AC-PV modules[C].Power Electronics and Applications,2007 European Conference.IEEE,2007：1-10.

[6]Kyritsis A C,Papanikolaou N P,Tatakis E C.Enhanced current pulsation smoothing parallel active filter for single stage grid-connected AC-PV modules[C].Power Electronics and Motion Control Conference,2008.EPE-PEMC 2008.13th.IEEE,2008：1287-1292.

[7]李思愷.并聯(lián)有源補(bǔ)償無(wú)電解電容功率因數(shù)校正電源設(shè)計(jì)[D].秦皇島：燕山大學(xué),2014.

Li Sikai,Design of power factor correction power supply without electrolytic capacitor[D].Qinhuangdao：Yanshan U-niversity,2014（in Chinese）.

[8]Krein P T,Balog R S,Mirjafari M.Minimum energy and capacitance requirements for single-phase inverters and rectifiers using a ripple port[J].IEEE Transactions on Power Electronics,2012,27(11)：4690-4698.

Technology of Single-phase PFC Output Bus Voltage Fluctuation Suppression and Ripple Power Transfer

REN Yuhu1,MA Kaili2,WANG Huixin1,WANG Zhengshi1
（1.College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;2.Zhumadian Power Supply Company,Zhumadian 463000,China）

It’s hard to achieve high power density and long time stability using electrolytic capacitors to suppress single-phase power factor correction（PFC） output bus voltage fluctuation.A strategy adopted a bidirectional Boost/Buck converter to decouple the power of output bus was proposed to remove the electrolytic capacitor.The basic working status of power decoupling circuit was analyzed in detail,the relevant parameters were given consideration,and a new control scheme introduced the weighted output bus voltage fluctuation control on the basis of double closed loop was proposed to further increase transferred ripple power between power decoupling branch and output bus,reduce bus voltage ripple.Experiment results are presented to verify the effectiveness of the circuit and control scheme.

single-phase PFC;power decoupling;weighted output bus voltage fluctuation control

任玉虎

任玉虎（1992-），男，碩士研究生，研究方向：雙向 AC/DC、DC/DC 變換器，E-mail：re nyuhu_2013@163.com。

馬凱莉（1987-），女，碩士研究生，研究方向：開(kāi)關(guān)電源和光伏并網(wǎng)逆變器相關(guān)，E-mail：Makl_ee@126.com。

王慧馨（1992-），女，碩士研究生，研究方向：開(kāi)關(guān)電源相關(guān)，E-mail：2522927925@qq.com。

王正仕（1965-），男，通信作者，博士，副教授，研究方向：新型高性能DC/DC變換器、逆變器的先進(jìn)數(shù)字控制、電動(dòng)汽車與新能源中電能變換與應(yīng)用，E-mail：wzs@zju.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.4.178

TM46

A

2015-11-26

浙江省公益性工業(yè)技術(shù)應(yīng)用研究計(jì)劃資助項(xiàng)目（2015C31121）

Project Supported by Zhejiang Province Public Welfare Technology Industrial Research Project（2015C31121）