雙閉環(huán)PI控制Boost PFC電路的仿真研究

安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 馬曉露 薛亞彬

0 引言

開(kāi)關(guān)電源的廣泛應(yīng)用給電網(wǎng)帶來(lái)了輸入側(cè)的波形畸變、功率因數(shù)降低等問(wèn)題。提高功率因數(shù)，進(jìn)行諧波抑制，從而改善電能質(zhì)量，為現(xiàn)階段研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)，功率因數(shù)校正(PFC)電路得到了較多的應(yīng)用。近年來(lái)，很多科研機(jī)構(gòu)以及電源企業(yè)對(duì)升壓型功率因數(shù)校正（Boost PFC）電路進(jìn)行了大量研究，并應(yīng)用在實(shí)際電源設(shè)計(jì)中[1]。幾乎全部的升壓型（Boost）功率因數(shù)校正控制方法大致都涉及到雙環(huán)控制，即電壓環(huán)、電流環(huán)[2]。本文通過(guò)Matlab Simulink軟件，進(jìn)行了雙閉環(huán)PI控制Boost PFC電路仿真模型的搭建與仿真實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)實(shí)現(xiàn)實(shí)際電路有著很好的參考價(jià)值。

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圖1 Boost PFC電路結(jié)構(gòu)

在實(shí)際PFC電路設(shè)計(jì)中，需要完成電壓的轉(zhuǎn)換，使輸入電流跟蹤全波整流電流，直流電壓輸出穩(wěn)定[3]。本文PFC電路采用Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，圖1為Boost PFC電路結(jié)構(gòu)。由二極管、功率開(kāi)關(guān)管、電感和電容等構(gòu)成PFC主電路，電流iL通過(guò)二極管D續(xù)流。

PFC控制電路需確保電壓輸出穩(wěn)定以及輸入電壓、電流達(dá)到同一相位。電路采取電壓、電流雙閉環(huán)控制方式，圖2為電壓環(huán)、電流環(huán)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖。電壓環(huán)采取定值方式進(jìn)行控制，從而達(dá)到跟蹤誤差的目的，電壓控制器采用PI控制器。電流環(huán)輸出脈沖信號(hào)控制功率開(kāi)關(guān)管，讓輸入電流跟蹤輸入電壓，電流信號(hào)和輸入側(cè)的電壓采樣信號(hào)達(dá)到同相位，電流控制器也采用PI控制器。電流環(huán)給定值是輸入電壓的采樣和電壓環(huán)的輸出兩者的乘積，可使電流環(huán)的輸出電流和輸入電壓同相。

圖2 電壓、電流雙閉環(huán)控制原理框圖

2 電流環(huán)、電壓環(huán)PI控制器

PFC性能的好壞關(guān)鍵在于對(duì)控制電路中PI控制參數(shù)等的設(shè)置。對(duì)于電流環(huán)PI控制器的確定，需要分析Boost PFC控制電路電流環(huán)的傳遞函數(shù)數(shù)學(xué)模型[4]。圖3為電流環(huán)結(jié)構(gòu)控制框圖。

圖3 電流環(huán)PI控制器

KiP、KiI為電流環(huán)PI控制器的控制參數(shù)，KvP、KvI為電壓環(huán)PI控制器的控制參數(shù)。電流環(huán)、電壓環(huán)PI控制器傳遞函數(shù)分別為：

3 電路仿真結(jié)果分析

圖4為運(yùn)用MATLAB軟件搭建的Simulink仿真模型。系統(tǒng)輸入交流電源AC 220V，輸出電壓為310V，設(shè)置系統(tǒng)仿真運(yùn)行0.5s。圖5為交流電源電壓Vac和電流Iac的波形，可見(jiàn)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，在0.1s以后，輸入電流和輸入電壓的波形同相。

圖4 電路仿真模型

圖5 交流電源電壓、電流波形

圖6 輸出電壓Vo波形

圖7 輸入電流諧波含量圖

表1 電流環(huán)、電壓環(huán)參數(shù)與Vo穩(wěn)定時(shí)間關(guān)系

圖6為BOOST電路的輸出電壓Vo波形，可見(jiàn)Vo在較短的時(shí)間后，穩(wěn)定在了310V附近。圖7為輸入電流進(jìn)行FFT分析，所得的輸入電流諧波含量圖，輸入電流的基波分量最大，測(cè)得THD=6.32%。行，表1為對(duì)示波器顯示的Vo波形進(jìn)行觀測(cè)所得的輸出電壓Vo達(dá)到穩(wěn)定所需的大致時(shí)間。通過(guò)比較可知，當(dāng)設(shè)置合適的電流環(huán)、電壓環(huán)PI控制器的控制參數(shù)時(shí)，可使系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度和良好的PFC性能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文進(jìn)行了雙閉環(huán)PI控制Boost PFC電路的仿真研究。由系統(tǒng)的仿真運(yùn)行結(jié)果分析可得，通過(guò)合理選擇PI控制參數(shù)，可使系統(tǒng)擁有較快的響應(yīng)速度，功率因數(shù)校正后系統(tǒng)的電流、電壓同相，功率因數(shù)接近于1，輸出電壓很快達(dá)到穩(wěn)定值，響應(yīng)迅速，但在310V附近存在一定的紋波。同時(shí)THD值只有6.32%，輸入電流的諧波抑制效果較好，對(duì)研究Boost PFC電路的雙閉環(huán)PI控制有著較好的參考價(jià)值。

[1]楊存祥,何康,金楠,馮雪.一種新型PFC 的控制仿真研究[J].電源技術(shù),2015,39(3):586-587.

[2]張艷杰.升壓型雙閉環(huán)控制有源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)[J].電氣技術(shù),2016(9):43-46.

[3]王智,方煒,劉曉東.數(shù)字控制的單周期PFC 整流器的設(shè)計(jì)與分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2014,34(21):3423-3431.

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