無橋有源功率因數(shù)校正系統(tǒng)軟啟動(dòng)方法研究*

劉 洋 夏益輝 張俊洪 陳珞珈

（海軍工程大學(xué)電氣工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

隨著手機(jī)、筆記本和電動(dòng)汽車等廣泛用于人們的日常工作和生活，人們對(duì)其充電裝置的要求也越來越高，而功率因數(shù)校正PFC（Power Factor Correc?tion）變換器作為這些充電裝置的重要組成部分，正在朝著高效率、高功率密度和高可靠性等方向發(fā)展。

為了提高有源功率因數(shù)校正系統(tǒng)的運(yùn)行性能，國內(nèi)外很多專家學(xué)者對(duì)其進(jìn)行領(lǐng)了深入研究與分析。與傳統(tǒng)基于整流橋的Boost PFC變換器相比，無橋PFC不需要整流橋，降低了損耗［1］。圖騰柱式PFC具有與無橋PFC相同的功率器件［2］，其利用MOSFET自身的體二極管續(xù)流，造成反向恢復(fù)損耗，不適合采用電感電流CCM控制模式［3］。為了降低反向恢復(fù)損耗，提出了多種有源功率因數(shù)校正拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法［4～11］。但是，這些拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)都需要檢測輸入電壓正負(fù)極性，使得系統(tǒng)成本增加和控制復(fù)雜。

無論無橋PFC還是傳統(tǒng)基于整流橋的Boost PFC，其在起動(dòng)時(shí)都不可避免地會(huì)產(chǎn)生沖擊電流，為了降低沖擊電流，確保功率器件安全，很多文獻(xiàn)提出在主電路中串聯(lián)限流設(shè)備如溫敏電阻或溫度系數(shù)裝置等，雖然能夠降低起動(dòng)電流，但會(huì)造成系統(tǒng)效率降低和成本增加。部分文獻(xiàn)通過在負(fù)載電流流通路徑串聯(lián)電容來減小Cuk、Seopic和諧振型PFC等變換器的起動(dòng)電流，同樣存在降低起動(dòng)電流有限、無源器件增加、效率降低和成本增加的問題［12～16］。為此，文獻(xiàn)［17～18］提出一種新型諧振PFC變換器，無需整流橋且具有一定的抑制起動(dòng)電流的能力，但其只適用于小功率無橋PFC系統(tǒng)，降低其應(yīng)用范圍，同時(shí)由于系統(tǒng)起動(dòng)過程中，直流側(cè)電壓上升速度與起動(dòng)電流以及系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)存在一定的矛盾，對(duì)于電流控制策略缺少詳細(xì)的論述，抑制起動(dòng)電流能力仍須進(jìn)一步提升。此外，文獻(xiàn)［19～20］對(duì)有源功率因數(shù)校正系統(tǒng)也進(jìn)行了分析。

本文首先分析了諧振型PFC變換器的基本工作原理；其次，探討了諧振電路參數(shù)設(shè)計(jì)的基本原則及減小起動(dòng)電流的工作原理；再次，對(duì)諧振無橋PFC變換器雙閉環(huán)和前饋補(bǔ)償控制方法進(jìn)行了研究，重點(diǎn)探討了參考輸入電流限幅設(shè)計(jì)進(jìn)行了分析；最后對(duì)雙閉環(huán)和前饋補(bǔ)償控制通過引入?yún)⒖驾斎腚娏飨薹糜谥C振無橋PFC變換器的運(yùn)行性能進(jìn)行了仿真研究與分析。仿真結(jié)果表明對(duì)雙閉環(huán)和前饋補(bǔ)償控制通過引入?yún)⒖驾斎腚娏飨薹?，可以有效降低起?dòng)電流，同時(shí)對(duì)輸入電流諧波和輸出電壓紋波系數(shù)具有一定的抑制效果，仿真結(jié)果與理論分析基本一致，證明了理論分析是正確的和所提方法是可行的。

2 諧振PFC變換器基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 基本結(jié)構(gòu)

圖1（a）、（b）分別為傳統(tǒng)無橋和諧振無橋PFC電路，傳統(tǒng)無橋PFC電路由濾波電感L、支撐電容C、方向二極管D1、主電路功率器件D3、D4和S1、S2組成，諧振無橋PFC電路在傳統(tǒng)無橋PFC電路上，增加了一諧振電路，由諧振電容Cr、諧振電感Lr和續(xù)流二極管D2組成。其中，濾波電感L用于濾除高頻諧波電流，功率管S1和S2用于實(shí)現(xiàn)泵升，二極管D1用于確保電網(wǎng)向支撐電容C和負(fù)載供電以及避免儲(chǔ)能向電網(wǎng)倒灌，諧振電容Cr用于降低起動(dòng)電流，其和諧振電感Lr和二極管D2用于在每個(gè)開關(guān)周期將電容Cr儲(chǔ)能釋放。由文獻(xiàn)［17，18］可知，當(dāng)諧振頻率fr低于開關(guān)頻率fs時(shí)，系統(tǒng)功率損耗較小，因此，本文基于諧振周期小于開關(guān)周期的軟起動(dòng)方法進(jìn)行分析。

圖1 諧振PFC變換器基本結(jié)構(gòu)

2.2 工作模式和升壓原理

1）工作模式

與傳統(tǒng)無橋PFC變換器相比，諧振型無橋PFC變換器無需輸入電源Ua極性判斷，功率管S1和S2驅(qū)動(dòng)信號(hào)相同。圖2為調(diào)制模式和輸入電流、諧振電流波形。圖中ton、toff分別為一個(gè)開關(guān)周期Ts內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間。

圖2 調(diào)制模式和輸入電流、諧振電流波形

假定輸入電壓極性上“+”下“-”，諧振型無橋PFC變換器工作狀態(tài)如圖3（a）、（b）和（c）所示。

圖3 諧振型無橋PFC工作狀態(tài)

t0-t1時(shí)刻：S1和S2導(dǎo)通，Ua經(jīng)L、S2和D4形成回路，L開始儲(chǔ)能；電容Cr兩端電壓經(jīng)S1、S2、D2和Lr形成放電回路，在t1時(shí)刻，諧振支路icr電流為0；負(fù)載由電容C供電。電壓方程如下：

t1-t2時(shí)刻：S1和S2繼續(xù)導(dǎo)通，電感L繼續(xù)儲(chǔ)能，同時(shí)諧振支路停止放電，Vcr=0。電壓方程如下：

t2-t3時(shí)刻：S1和S2關(guān)斷，電感L儲(chǔ)能和輸入電源Ua共同向電容C充電和負(fù)載供電。電壓方程如下：

2）升壓原理

諧振型無橋PFC變換器工作在兩種模式：諧振模式和PWM模式，由圖2、圖3可知，功率管開通時(shí)儲(chǔ)能、關(guān)斷時(shí)向負(fù)載供電和電容C充電，因此，其升壓原理與Boost變換器相同，輸出電壓Ucd與輸入電源電壓Ua之間的關(guān)系如式（4）所示。

其中，D為占空比，D=ton/Ts。

3 諧振電路參數(shù)設(shè)計(jì)

3.1 起動(dòng)電流影響因素分析

圖4（a）、（b）分別為傳統(tǒng)無橋和諧振無橋PFC等效起動(dòng)電路。假定輸入電源上“+”下“-”，忽略負(fù)載電阻R影響，此時(shí)可知起動(dòng)電流表達(dá)式為

圖4 有無諧振無橋PFC等效電路

為了減小起動(dòng)電流，在傳統(tǒng)無橋PFC電路上，增加了諧振電路，如圖1（b）所示。由于C>>Cr，線路中由電容引起的容抗由諧振電容Cr決定，等效電路如圖4（b）所示，圖中同樣假定輸入電源Ua上“+”下“-”，此時(shí)起動(dòng)電流表達(dá)式為

由上式可知，與傳統(tǒng)無橋PFC電路相比，串聯(lián)諧振無橋PFC電路的起動(dòng)電流明顯減小。

3.2 諧振電路參數(shù)設(shè)計(jì)

由式（6）可知，可以通過減小諧振電容Cr和增大濾波電感L來減小輸入電流，但濾波電感增大會(huì)增大系統(tǒng)體積和成本且對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性也有影響。振電容與其電壓峰值Vcrmax之間關(guān)系如式（7）所示［17］：

由式（7）可知，諧振電容大小與其耐壓值密切相關(guān)：Cr值小，起動(dòng)電流小，但尖峰電壓大，要求電容高耐壓；Cr值大，起動(dòng)電流大，尖峰電壓小，電容耐壓低。此外，諧振電容受諧振頻率影響，必須滿足如下關(guān)系：

由此可知，諧振電容主要受諧振頻率、電容電壓峰值和最大起動(dòng)電流影響，因此，諧振電容和電感參數(shù)時(shí)應(yīng)滿足如下約束條件。

4 雙閉環(huán)和前饋補(bǔ)償?shù)母倪M(jìn)控制策略

諧振電路雖然可以有效降低起動(dòng)電流瞬時(shí)大小，但在直流電壓上升過程中，直流電壓上升比較緩慢，加之濾波電感存在儲(chǔ)能，使得系統(tǒng)電壓上升過程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生過電流現(xiàn)象。為了有效抑制直流側(cè)電壓上升過程中過電流的產(chǎn)生，對(duì)基于電壓電流雙閉環(huán)和前饋補(bǔ)償?shù)目刂撇呗赃M(jìn)行了改進(jìn)：電壓環(huán)輸出參考電流進(jìn)行限幅。圖5為基于電壓電流雙閉環(huán)和前饋補(bǔ)償?shù)臒o橋PFC電路軟起動(dòng)控制策略。

圖5 雙閉環(huán)和前饋補(bǔ)償改進(jìn)控制框圖

圖中由于直流側(cè)電壓存在波動(dòng)，為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，對(duì)直流側(cè)采樣電壓進(jìn)行低通濾波處理之后再進(jìn)入電壓閉環(huán)控制；諧振PFC變換器不需要輸入電壓極性檢測，因此參考輸入電流采用單位輸入電壓絕對(duì)值與電壓環(huán)輸出電流幅值相乘作為參考電流，參考電流與采樣輸入電流的差值經(jīng)PI控制器作為功率器件的導(dǎo)通時(shí)間，并將其與前饋補(bǔ)償1-abs（Ua）/Udc_ref之和作為最終占空比。

對(duì)于限幅控制，可根據(jù)系統(tǒng)功率和起動(dòng)電流允許值進(jìn)行設(shè)計(jì)。為了減小起動(dòng)電流和確保系統(tǒng)迅速正常工作，同時(shí)兼顧系統(tǒng)電磁兼容要求，忽略功率損耗，由輸入輸出功率守恒得：

功率器件電流選擇時(shí)，通常選取為系統(tǒng)電流的1.5倍左右，為了保證系統(tǒng)具有較快的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度、確保系統(tǒng)無過流現(xiàn)象發(fā)生和考慮PFC電路起動(dòng)時(shí)間比較短的特點(diǎn)以及功率器件安全可靠工作，參考電流限幅選取為功率器件額定電流之下，即Iim≤1.5Io。

5 仿真驗(yàn)證

利用Matlab軟件搭建了額定功率PN=4kW諧振型無橋有源功率因數(shù)校正系統(tǒng)仿真模型，具體參數(shù)設(shè)置見表1。

表1 無橋PFC電路參數(shù)

將Ucd=400V，Ua=220V，fs=50kHz，代入式（8）得fr≥ 55.5kHz，取諧振頻率fr=60kHz。諧振電容Cr兩端電壓Vcr不超過直流側(cè)電壓的10%，系統(tǒng)最大起動(dòng)電流應(yīng)根據(jù)功率器件最大過流能力和時(shí)間來確定，選取為功率器件額定電流以下或系統(tǒng)電流1.5倍以下，由此式（11）成立：

由此可得 2.25μF≤Cr≤4.64μF，取Cr=3.3μF，諧振電感Lr=2.13μH。

圖6、圖7分別為傳統(tǒng)無橋PFC系統(tǒng)雙閉環(huán)和前饋補(bǔ)償參考輸入電流無限幅和有限幅控制時(shí)的輸入電壓、輸入電流和直流輸出電壓波形。由圖6和圖7可知，參考輸入電流無限幅和有限幅控制時(shí)，系統(tǒng)啟動(dòng)電流均較大，無限幅控制時(shí)啟動(dòng)電流峰值達(dá)到190A，有限幅控制時(shí)啟動(dòng)電流峰值為165A，相比與無限幅控制有所減小，輸出電壓紋波系數(shù)和輸入電流諧波含量基本相同，仿真結(jié)果表明針對(duì)傳統(tǒng)諧振無橋PFC系統(tǒng)來講，針對(duì)參考輸入電流進(jìn)行限幅控制時(shí)，對(duì)起動(dòng)電流的抑制效果并不明顯。

圖6 傳統(tǒng)無橋PFC系統(tǒng)無限幅控制時(shí)輸入電壓、電流和直流輸出電壓波形

圖7 傳統(tǒng)無橋PFC系統(tǒng)有限幅控制時(shí)輸入電壓、電流和直流輸出電壓波形

圖8、圖9分別為諧振無橋PFC系統(tǒng)雙閉環(huán)和前饋補(bǔ)償參考輸入電流無限幅和有限幅控制時(shí)的輸入電壓、輸入電流和直流輸出電壓波形。由圖6和圖8對(duì)比可知，輸出側(cè)串聯(lián)一諧振電路之后，輸出電壓紋波系數(shù)和諧波含量也都有所減小，起動(dòng)電流峰值明顯減小，降為80A，但此時(shí)起動(dòng)電流仍然較大，約為3倍的額定電流，如此大的起動(dòng)電流勢必會(huì)影響功率器件的安全運(yùn)行，必須進(jìn)一步減小起動(dòng)電流。由圖8和圖9可知，諧振無橋PFC系統(tǒng)參考電流進(jìn)行限幅控制之后，輸出電壓紋波系數(shù)和諧波含量與無限幅控制時(shí)基本相同，而起動(dòng)電流峰值由之前80A降為38A，起動(dòng)電流明顯減小，約為1.5倍的額定電流。仿真結(jié)果表明諧振無橋PFC系統(tǒng)通過在雙閉環(huán)和前饋補(bǔ)償控制系統(tǒng)中引入?yún)⒖驾斎腚娏飨薹刂?，可以有效抑制系統(tǒng)的起動(dòng)電流，仿真結(jié)果與理論分析基本一致。

圖8 諧振無橋PFC系統(tǒng)無限幅控制時(shí)輸入電壓、電流和直流輸出電壓波形

圖9 諧振無橋PFC系統(tǒng)有限幅控制時(shí)輸入電壓、電流和直流輸出電壓波形

6 結(jié)語

通過建立無橋PFC系統(tǒng)起動(dòng)過程等效電路，獲得了影響起動(dòng)電流的因素，并在此基礎(chǔ)之上，分析了諧振電路減小起動(dòng)電流的基本原理；由于諧振電容參數(shù)受起動(dòng)電流和開關(guān)頻率的限制，起動(dòng)電容不能太小，使得系統(tǒng)依然存在起動(dòng)電流大的問題，為此提出在雙閉環(huán)和前饋補(bǔ)償控制中引入?yún)⒖驾斎腚娏飨薹刂频姆椒?，并?duì)傳統(tǒng)無橋PFC和諧振無橋PFC的運(yùn)行性能進(jìn)行了仿真對(duì)比研究。從理論分析和仿真結(jié)果中可以得出以下結(jié)論。

1）諧振電路可以減小起動(dòng)電流，但起動(dòng)電流依然比較大；

2）雙閉環(huán)和前饋補(bǔ)償控制中引入?yún)⒖驾斎腚娏飨薹刂频姆椒?，在傳統(tǒng)無橋PFC系統(tǒng)中抑制起動(dòng)電流的效果不明顯；

3）雙閉環(huán)和前饋補(bǔ)償控制中引入?yún)⒖驾斎腚娏飨薹刂频姆椒?，在諧振無橋PFC系統(tǒng)中具有較好的抑制起動(dòng)電流效果。