BOOST峰值電流型PFC變換器的穩(wěn)定性分析

王晨皓 陳艷峰

摘 要：以BOOST峰值電流型PFC變換器為研究對(duì)象，采用數(shù)值仿真法和解析建模法對(duì)其進(jìn)行建模及穩(wěn)定性分析。首先通過(guò)MATLAB/Simulink應(yīng)用軟件建立BOOST峰值電流型PFC變換器的電路模型，通過(guò)仿真研究其分岔現(xiàn)象，然后建立離散映射方程，并由雅可比矩陣法來(lái)分析分岔現(xiàn)象，從而得出各參數(shù)的穩(wěn)定邊界。其結(jié)果可為BOOST峰值電流型PFC變換器的設(shè)計(jì)、運(yùn)行提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正;穩(wěn)定性分析;分岔現(xiàn)象;頻閃映射;雅可比矩陣

中圖分類號(hào)：TM46? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：1671-0797（2022）10-0008-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2022.10.003

0? ? 引言

BOOST峰值電流型PFC變換器是一種有源功率因數(shù)校正技術(shù)，能提高開(kāi)關(guān)電源功率因數(shù)，節(jié)省能源，提高電能質(zhì)量。該變換器由電感、電容、開(kāi)關(guān)管等元件組成，是時(shí)變非線性系統(tǒng)，具有很強(qiáng)的非線性，存在分岔現(xiàn)象[1]，當(dāng)電路參數(shù)變動(dòng)經(jīng)過(guò)分岔點(diǎn)時(shí)，系統(tǒng)的定性性態(tài)（如平衡狀態(tài)或周期運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性等）會(huì)發(fā)生突然變化，引發(fā)不穩(wěn)定現(xiàn)象。在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)此變換器時(shí)，為了抑制分岔現(xiàn)象，保證電路能在開(kāi)關(guān)頻率下穩(wěn)定運(yùn)行，有必要開(kāi)展對(duì)此類電路的分岔研究，了解電路各參數(shù)的穩(wěn)定邊界及不穩(wěn)定現(xiàn)象，為設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)提供理論依據(jù)。BOOST峰值電流型PFC變換器存在慢時(shí)標(biāo)分岔及快時(shí)標(biāo)分岔兩種分岔現(xiàn)象，本文僅研究其快時(shí)標(biāo)分岔。

本文以BOOST峰值電流型PFC變換器為研究對(duì)象，采用數(shù)值仿真法和解析建模法對(duì)其進(jìn)行建模及穩(wěn)定性分析。首先通過(guò)MATLAB/Simulink應(yīng)用軟件建立電路模型，通過(guò)仿真研究分岔現(xiàn)象，然后建立離散映射方程，并由雅可比矩陣法來(lái)分析分岔現(xiàn)象，從而得出各參數(shù)的穩(wěn)定邊界。

1? ? 采用數(shù)值仿真法分析BOOST峰值電流型PFC變換器的分岔現(xiàn)象

1.1? ? BOOST峰值電流型PFC變換器建模

BOOST峰值電流型PFC變換器是一個(gè)時(shí)變網(wǎng)絡(luò)，閉環(huán)工作時(shí)是時(shí)變非線性的。采用MATLAB軟件的Simulink和SimPowerSystems工具箱進(jìn)行數(shù)值仿真建模，搭建出了對(duì)應(yīng)的Simulink仿真模型[2]。如圖1所示，參數(shù)選取如下：在主電路中，輸入電壓頻率f=50 Hz，電感L=2 mH，電容C=470 μF;在控制電路中，開(kāi)關(guān)周期Ts=

20 μs，k1=0.08，k2=1/60，TF=4 ms，Tc=1/70 s。

1.2? ? 分岔現(xiàn)象仿真及分析

為詳細(xì)研究上述模型分岔現(xiàn)象，選擇電阻、固定輸入電壓、參考電壓其中之一作為唯一變量，研究其對(duì)應(yīng)的分岔現(xiàn)象，即假定三個(gè)物理量電阻R、輸入電壓ui、參考電壓Vref中的兩個(gè)量不變，只有另一個(gè)發(fā)生變化時(shí)出現(xiàn)分岔現(xiàn)象。

1.2.1? ? 電阻值變化時(shí)的分岔現(xiàn)象

固定ui=110 V，Vref=180 V，改變負(fù)載電阻進(jìn)行仿真。當(dāng)R=85 Ω時(shí)，出現(xiàn)分岔現(xiàn)象，iL的波形如圖2所示。負(fù)載電阻值越大，分岔越嚴(yán)重，由周期1狀態(tài)變?yōu)橹芷?狀態(tài)（倍周期分岔現(xiàn)象），而且隨著分岔的加劇，分岔點(diǎn)由兩端向中間靠近，分岔的范圍擴(kuò)大。

1.2.2? ? 參考電壓Vref變化時(shí)的分岔現(xiàn)象

固定ui=130 V，R=95 Ω，改變參考電壓進(jìn)行仿真。當(dāng)Vref=260 V時(shí)，出現(xiàn)倍周期分岔現(xiàn)象，電路工作在周期2狀態(tài)。iL的波形如圖3所示，減小Vref，發(fā)現(xiàn)分岔更加嚴(yán)重。

1.2.3? ? 輸入電壓ui變化時(shí)的分岔現(xiàn)象

固定Vref=380 V，R=100 Ω，改變輸入電壓ui，對(duì)電路模型進(jìn)行仿真。當(dāng)ui=180 V時(shí)，存在倍周期分岔現(xiàn)象，電路工作在周期2狀態(tài)。

iL的波形如圖4所示，可見(jiàn)，在t=0.592 s之前和t=0.599 s之后，電感電流存在明顯的倍周期分岔現(xiàn)象。進(jìn)一步增加ui，發(fā)現(xiàn)分岔更加嚴(yán)重，電感電流存在明顯的倍周期分岔現(xiàn)象。

1.2.4? ? 小結(jié)

仿真發(fā)現(xiàn)，BOOST峰值電流型PFC變換器存在快時(shí)標(biāo)分岔現(xiàn)象，且分岔現(xiàn)象與電路的參數(shù)有關(guān)。減小負(fù)載電阻、降低輸入電壓或提高電壓參考基準(zhǔn)值，將有利于電路趨于穩(wěn)定。

2? ? 采用解析建模法分析BOOST峰值電流型PFC變換器的分岔現(xiàn)象

目前的研究主要采用離散迭代非線性映射、分段光滑狀態(tài)方程法、平均分段光滑狀態(tài)方程法3種建模方法建立非線性動(dòng)力學(xué)模型來(lái)分析分岔現(xiàn)象[3]。為進(jìn)一步分析論證BOOST峰值電流型PFC變換器快時(shí)標(biāo)下的分岔現(xiàn)象，對(duì)變換電路進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，求出其頻閃映射，再通過(guò)雅可比矩陣來(lái)分析快時(shí)標(biāo)下的分岔現(xiàn)象。

2.1? ? BOOST峰值電流型PFC變換器的頻閃映射

以電路的開(kāi)關(guān)頻率為采樣頻率，在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期的起點(diǎn)對(duì)變換器狀態(tài)變量進(jìn)行采樣，建立其頻閃映射數(shù)學(xué)模型[4-5]。令初始時(shí)刻為nTs，此時(shí)電感電流iL為iL（n），電容電壓uc為uc（n），輸入電壓ui為ui（n）。當(dāng)開(kāi)關(guān)頻率fs足夠高時(shí)，則可以認(rèn)為在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts內(nèi)的輸入電壓ui為定值v。ui（n）=v（n）。

當(dāng)ton>Ts時(shí)，在整個(gè)開(kāi)關(guān)周期功率開(kāi)關(guān)管都導(dǎo)通。

iL（n+1）=iL（n）+■·v（n）·Ts? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

uc（n+1）=uc（n）·e■? ? ?（2）

當(dāng)tonTs時(shí)，在nTs—nTs+ton，功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。

iL（nTs+ton）=iref =iL（n）+■·v（n）·ton? ? ? ? ? ?（3）

uc（nTs+ton）=uc（n）·e■? ? ? ? ? （4）

在nTs+ton—（n+1）Ts，功率開(kāi)關(guān)管截止。

iL（n+1）=e■·[（p1q1+p2q2）·cos γ·tb+

（p1q2-p2q1）·sin γ·tb]+■? ? ? （5）

uc（n+1）=e■·（q1·cos γ·tb+q2·sin γ·tb）+v（n）? （6）

式中：α=-■;γ=■;p1=■;p2=■;

q1=uc（n）·e■-v（n）;q2=■。

當(dāng)ton

e■·[（p1q1+p2q2）·cos γ·tf+

（p1q2-p2q1）·sin γ·tf]+■=0? ? ? ? ? ? ?（7）

由此可求出tf。

在nTs+ton+tf—（n+1）Ts：

iL（n+1）=0? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （8）

uc（n+1）=uc（n）·e■? ? ? ? ? ? ? ?（9）

通過(guò)定出狀態(tài)變量的初始值，可求出下一周期的解，如此不斷反復(fù)，最終得到所需精度的頻閃映射的采樣點(diǎn)的解。

2.2? ? 離散映射的雅可比矩陣

雅可比矩陣是研究變換器非線性動(dòng)力系統(tǒng)中局部分岔問(wèn)題的一種解析法[4-5]。對(duì)于離散映射Xn+1=f（Xn，μ），在不動(dòng)點(diǎn)xe處的雅可比矩陣定義為JF=■■。通過(guò)推算，BOOST峰值電流型PFC變換器的頻閃映射雅可比矩陣為：

JF=■? ■ ■? ■■? ? ? ? ? ? ?（10）

通過(guò)雅可比矩陣特征值軌跡可以較精確地計(jì)算出倍周期分岔點(diǎn)位置，根據(jù)映射的不動(dòng)點(diǎn)方程穩(wěn)定性定理，不動(dòng)點(diǎn)的穩(wěn)定性由其雅可比矩陣的特征值λ決定，當(dāng)特征值λ=-1時(shí)，參數(shù)對(duì)應(yīng)的值即變換器由周期1到周期2的分岔點(diǎn)，從而得出快時(shí)標(biāo)下不穩(wěn)定區(qū)域邊界。因此，通過(guò)這種方法定位變換器的分岔點(diǎn)，就能得到電路可采用的參數(shù)范圍，確保變換器穩(wěn)定地工作在周期1區(qū)域。

2.3? ? 分岔現(xiàn)象仿真及分析

2.3.1? ? BOOST峰值電流型PFC變換器的分岔現(xiàn)象

根據(jù)上述變換器的頻閃映射，開(kāi)展對(duì)快時(shí)標(biāo)下的分岔仿真。當(dāng)ui=220 V，R=200 Ω，Vref=380 V時(shí)，電感電流與輸出電壓的相圖如圖5所示，電感電流的采樣值如圖6所示。出現(xiàn)倍周期分岔現(xiàn)象，電路工作在周期2狀態(tài)，可明顯看出存在快時(shí)標(biāo)下的分岔現(xiàn)象，且由于系統(tǒng)拓?fù)涞淖兓娐吩谀B(tài)1、2和模態(tài)3之間頻繁切換，致使非線性現(xiàn)象變得更為復(fù)雜。電路存在倍周期分岔及其他分岔現(xiàn)象，甚至發(fā)生混沌現(xiàn)象。

2.3.2? ? BOOST峰值電流型PFC變換器的穩(wěn)定邊界

設(shè)定輸入電壓頻率f=50 Hz，儲(chǔ)能電感L=2 mH，電容C=470 μF，開(kāi)關(guān)周期Ts=20 μs。通過(guò)上述頻閃映射的雅可比矩陣表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算，得到特征值，從而得到系統(tǒng)的分岔點(diǎn)，最后形成不同電路參數(shù)下的穩(wěn)定性邊界。當(dāng)ui=110 V時(shí)，Vref和R各分岔點(diǎn)形成的穩(wěn)定性邊界如圖7所示;當(dāng)R=80 Ω時(shí)，Vref和ui各分岔點(diǎn)形成的穩(wěn)定性邊界如圖8所示。計(jì)算結(jié)果形成準(zhǔn)確的穩(wěn)定邊界，這樣可確保設(shè)計(jì)BOOST峰值電流型PFC變換器時(shí)，準(zhǔn)確選擇電路參數(shù)，避免變換器發(fā)生分岔，進(jìn)入不穩(wěn)定區(qū)域。3? ? 結(jié)語(yǔ)

本文采用MATLAB對(duì)變換器進(jìn)行建模及仿真，分析快時(shí)標(biāo)下的分岔現(xiàn)象。接著采用頻閃映射法和雅可比矩陣法對(duì)電路進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，并在仿真中進(jìn)一步分析論證分岔現(xiàn)象，同時(shí)得到不同電路參數(shù)下的穩(wěn)定性邊界，為BOOST峰值電流型功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)、運(yùn)行提供了依據(jù)。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 陸啟韶.分岔與奇異性[M].上海：上海科技教育出版社，1995.

[2] DRANGA O，TSE C K，IU H H C，et al.Bifurcation Behavior of a Power-Factor-Correction Boost Converter[J].International Journal of Bifurc-ation and Chaos，2003，13（10）：3107-3114.

[3] 羅曉曙，汪秉宏，鄒艷麗.DC-DC開(kāi)關(guān)功率變換器的非線性動(dòng)力學(xué)行為研究[J].力學(xué)進(jìn)展，2003（4）：471-482.

[4] 馬西奎，劉偉增，張浩.快時(shí)標(biāo)意義下Boost PFC變換器中的分岔與混沌現(xiàn)象分析[J].中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（5）：61-67.

[5] WU X Q，TSE C K，DRANGA O，et al.Fast-Scale Instability of Single-Stage Power-Factor-Correction Power Supplies[J].IEEE Transactions on Circuits and Systems I：Regular Papers，2006，53（1）：204-213.

收稿日期：2022-02-28

作者簡(jiǎn)介：王晨皓（1971—），女，河北澧縣人，碩士，講師，從事電力系統(tǒng)控制及通信電源等的教學(xué)和研究工作。

陳艷峰（1970—），女，湖南永興人，博士，教授，從事非線性電路系統(tǒng)理論與功率電子學(xué)的研究工作。