基于單周期控制的改進(jìn)型無橋boost PFC 電路研究

楊帥+王世榮+李金峰+劉超

摘 要：整流橋在傳統(tǒng)的PFC（PowerFactor Correction，PFC）電路拓?fù)渲胁豢苫蛉保渌柙?shù)量較多，通態(tài)損耗問題嚴(yán)重，電路的轉(zhuǎn)換效率受到極大的制約。boost PFC電路是一種升壓轉(zhuǎn)換電路，在此拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，文章構(gòu)造了一種改進(jìn)的無橋boost PFC電路，介紹了其工作模式，采用單周期控制算法在仿真平臺(tái)上驗(yàn)證了該電路的有效性。仿真證實(shí)了所提出結(jié)構(gòu)和控制方法的可行性，得到輸出電壓更平穩(wěn)，控制簡(jiǎn)單但效率更高。

關(guān)鍵詞：無橋；boost PFC（PowerFactor Correction，PFC）；單周期控制算法

中圖分類號(hào)： TM13 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2017）21-0021-02

近幾十年來科學(xué)技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，電力電子技術(shù)得到了迅速提高，電力電子器件的發(fā)展更是突飛猛進(jìn)，它們被廣泛運(yùn)用到電網(wǎng)建設(shè)當(dāng)中。在享受著先進(jìn)技術(shù)帶來的便利時(shí)，也同樣遭受著其產(chǎn)生的附加影響，尤為嚴(yán)重的是諧波污染，這些諧波會(huì)進(jìn)入到電網(wǎng)中從而引起電網(wǎng)電力質(zhì)量污染，嚴(yán)重影響電能利用率。為了解決這些問題，綠色、高效的電力電子技術(shù)和設(shè)備的研究發(fā)展擺在了科研人員面前。PFC電路作為功率校正裝置可以有效改變電能質(zhì)量，故研究效率高、PF接近于1的PFC變換電路更是工業(yè)界和學(xué)術(shù)界當(dāng)前的急需解決的問題。

傳統(tǒng)的PFC電路各種功率器件的應(yīng)用數(shù)量較多，相應(yīng)的功率耗損就會(huì)增加。針對(duì)此弊端，不斷有無橋PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)被提出。因?yàn)闊o橋電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無整流橋，使用的器件少，類似開關(guān)耗損就會(huì)減少。本文利用了傳統(tǒng)電路拓?fù)洌ㄟ^在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)上不斷改進(jìn)發(fā)展出一種本文提出的boost PFC電路，詳細(xì)說明了其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其電流轉(zhuǎn)換時(shí)的工作原理。為了取得理想效果，運(yùn)用了經(jīng)典的單周期控制，并對(duì)控制原理做了詳細(xì)說明，最后進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

1 新型無橋Boost PFC電路的工作原理

如圖1所示，為組成一個(gè)單級(jí)交流變直流的AC/DC整流電路，我們將無橋Boost PFC電路的交流測(cè)與交流電源直接相連，其中開關(guān)S是電路中的有源元件，而且位于交流測(cè)，因而其必備的一點(diǎn)就是足夠高的開關(guān)頻率，應(yīng)比輸入電壓頻率高，至少是三個(gè)數(shù)量級(jí)。

MOSFET具有多種優(yōu)點(diǎn)其開關(guān)頻率好，通態(tài)損耗較低，故在高頻電力電子領(lǐng)域中十分運(yùn)用廣泛。因?yàn)镸OS是單極性晶體管，只能單向?qū)?，所以將兩個(gè)MOSFET的源極串連相接用以實(shí)現(xiàn)開關(guān)S的功能，開關(guān)所用的驅(qū)動(dòng)信號(hào)使用同一個(gè)即可。其電路如圖2所示。

為了有效降低功率損耗，在此電路中消除了整流橋。當(dāng)交流電源發(fā)出的交流電在正半周時(shí)，流過L的電流為正。在此周期內(nèi)可以分成兩個(gè)階段：第一階段是開關(guān)管S1導(dǎo)通時(shí)，此刻電流通過電感L，因?yàn)殚_關(guān)管S1導(dǎo)通，故電流流過S1以及和S2并聯(lián)的二極管，此階段電感線圈L持續(xù)儲(chǔ)能。在S1導(dǎo)通時(shí)刻，電容Cr、電感Lr以及二極管D1共同組成諧振電路。電容Cr上的能量轉(zhuǎn)移到電感Lr上，這時(shí)提供電能給負(fù)載R的是電容C。第二階段是開關(guān)管S1關(guān)閉時(shí)，此刻電源電流流過電感L以后，直接流過電感Lr和二極管D2向負(fù)載R提供電能。因?yàn)殡姼蠰儲(chǔ)存的電能及不能突變的特性，所以負(fù)載R的電壓為電源和L二者之和，實(shí)現(xiàn)了電壓的調(diào)節(jié)。此時(shí)，電容C與電容Cr不再提供電能而是充電，儲(chǔ)能電感L的能量也不斷減少。當(dāng)電路處于負(fù)半周期時(shí)，電流的流向與正半周期時(shí)反向，但工作原理相同。

2 單周期控制策略

為了使變換電路可以具有較好的動(dòng)態(tài)指標(biāo)，電路的控制算法的使用上將采用單周期控制策略（One Cycle Control，OCC）。單周期技術(shù)的原理是在單一開關(guān)周期之中采用調(diào)節(jié)開關(guān)占空比，使開關(guān)的變化量與控制參考量的值相等或成正比，以降低甚至消除穩(wěn)態(tài)及暫態(tài)誤差。

比較器、復(fù)位開關(guān)S2、觸發(fā)器和積分器共同構(gòu)成了電路中的單周期策略控制裝置，時(shí)鐘脈沖每次一出現(xiàn)，便使觸發(fā)器Q端置1，控制開關(guān)S1開通，S2處于關(guān)斷狀態(tài)，■置為0。經(jīng)過積分器的不斷積分，當(dāng)積分器輸出量Vint和控制參考量Vref相等，則高速比較器的輸出于復(fù)位端R，其對(duì)應(yīng)的Q端就會(huì)置為0，端置為1，此時(shí)因?yàn)镼端為0，則使控制開關(guān)S1處于關(guān)斷狀態(tài)，復(fù)位開關(guān)S2就會(huì)置于導(dǎo)通狀態(tài)。下一個(gè)脈沖到來之后，則下一周期重新開始，如圖3、圖4所示。

正如圖4中所示：Vi=Vo（0

Vref=Vidt=Vodt=Vodt

公式右邊乘以可得到Vref=Vodt，Vo的平均值和控制參考量Vref相等，控制參考量Vref是給定的，單周期的控制目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。此外，在脈寬和頻率上，Vo與開關(guān)函數(shù)一致，且Vo的包絡(luò)和輸入信號(hào)Vi相同?？刂茀⒖夹盘?hào)Vref調(diào)制開關(guān)的占空比d。

3 單周期算法下的新型無橋 Boost PFC電路仿真

通過以上的電路的分析和控制算法的分析后，在Matlab軟件中對(duì)其可行性進(jìn)行了仿真研究。經(jīng)過搭建模型后在Simulink平臺(tái)的仿真結(jié)果如下：

如圖5所示，電路仿真的輸入電壓和輸入電流的波形。分析該圖可知，其交流端的輸入電流以及輸入電壓在相位上基本保持一致，且諧波含量較少，從而保證功率因數(shù)值處于較高點(diǎn)，接近于1。

如圖6所示，電路仿真的直流輸出電壓波形。通過分析波形曲線可知，新型電路的輸出電壓值穩(wěn)定，波形穩(wěn)定快，紋波小，與預(yù)期分析的理想效果基本吻合。

4 結(jié)束語

文中提出了一種新型的無整流橋、基于單周期控制的Boost PFC電路。仿真結(jié)果表明，此電路符合預(yù)期的理論分析，轉(zhuǎn)換后的輸出電壓穩(wěn)定，電路的輸入電流、電壓相位一致，且紋波小，電路轉(zhuǎn)換效率高。本文所分析的都是較為理想的狀態(tài)，有關(guān)電磁兼容的問題有待進(jìn)一步的研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]溫向宇，趙麗平，李健華，等.新型單周期控制的無橋Boost PFC變換器[J].電源學(xué)報(bào)，2014，12（1）：91-95.

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