，

（廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院，廣東廣州 510006）

1 引言

隨著電力電子技術(shù)的不斷進(jìn)步及社會(huì)發(fā)展的需要，由電力電子器件組成的能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，但由此產(chǎn)生的輸入功率因數(shù)降低及諧波污染也日趨嚴(yán)重。如何提高電能質(zhì)量，正逐漸成為電力電子領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。三電平APFC電路由于其具有開關(guān)管的電壓應(yīng)力為直流母線電壓的一半［1］，等效開關(guān)頻率高，電磁干擾（EMI）小等優(yōu)點(diǎn)，使其在高壓、大功率AC/DC變換系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。

在APFC電路控制策略中，大多數(shù)采用傳統(tǒng)的平均電流模式控制，但平均電流控制方式需要采樣輸入電壓、輸入電流、輸出電壓及使用乘法器來實(shí)現(xiàn)，采樣信號多，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜；而單周期控制技術(shù)［2-3］是一種新型PWM控制技術(shù)，只需要采集輸入電流和輸出電壓便可以實(shí)現(xiàn)控制，簡化了PFC電路的設(shè)計(jì)。在此將單周期控制技術(shù)與三電平技術(shù)結(jié)合起來，既降低了開關(guān)管的電壓應(yīng)力，同時(shí)減小了控制回路的設(shè)計(jì)難度。與此同時(shí)，針對使用整流橋采集電流信號出現(xiàn)電流過零交越失真的問題［4］，提出了一種全波精密整流電路采集電流的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了基于單周控制的單相三電平APFC電路的有效性以及使用全波精密整流解決電流過零交越失真問題的可行性。

2 主電路結(jié)構(gòu)分析

圖1為單相三電平APFC的主電路，通過開關(guān)管VQ1，VQ2組成雙向開關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)電感在交流的正負(fù)半波流過對稱的交流電流，可以避免磁芯的單向磁化引起的偏磁問題。VD1，VD2為快恢復(fù)二極管，分別接至直流母線的正輸出端和負(fù)輸出端，實(shí)現(xiàn)三電平輸出。

圖1 三電平APFC的主電路拓?fù)銯ig.1 Main circuit topology of Three-level APFC

主電路可分為2個(gè)工作過程：交流輸入的正半周；交流輸入的負(fù)半周。在每個(gè)過程中，又分為2種開關(guān)模態(tài)：1）開關(guān)管有導(dǎo)通信號，表示為Son；2）開關(guān)管沒有導(dǎo)通信號，表示為Soff。在交流輸入的正半周，當(dāng)開關(guān)管有導(dǎo)通信號時(shí)，VQ1開通，VQ2關(guān)斷，電流通過L，VQ1，VQ2的體二極管組成的回路，輸入電壓uin對電感L充電，電感電流線性上升，電感儲(chǔ)能，VD1，VD2反向截止，電容C1，C2向負(fù)載提供能量，如圖2a所示。當(dāng)開關(guān)管沒有導(dǎo)通信號時(shí)，VQ1關(guān)斷，VQ2關(guān)斷，電流通過L，VD1，C1組成的回路，輸入電壓uin和電感L同時(shí)向C1充電，并向負(fù)載提供能量，電感電流下降，電感釋放能量，VD2反向截止，如圖2b所示。在交流輸入的負(fù)半周，同理可以分析得到如圖2c、圖2d所示工作過程。在圖2中，實(shí)線表示電路處于連通狀態(tài)，虛線表示電路處于斷開狀態(tài)。

相比于兩電平電路，三電平電路結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，為了便于分析，將主電路中的整流器件用一個(gè)理想的單刀三擲開關(guān)進(jìn)行簡化，如圖3所示，為了建立此三電平APFC電路的數(shù)學(xué)模型，將電路的開關(guān)過程用開關(guān)函數(shù)描述，開關(guān)函數(shù)定義如下：

圖2 三電平APFC主電路的工作過程Fig.2 The working process of the three-level APFC

式中：iL為電感電流。

圖3 三電平主電路的單刀三擲開關(guān)等效原理圖Fig.3 Schematic of the three-level APFC using ideal single pole triple throw（SPTT）switches

將開關(guān)函數(shù)S分解SPM，SPO，SPN3個(gè)單刀開關(guān)，開關(guān)開通時(shí)，函數(shù)值為1，關(guān)斷時(shí)值為0，于是有：1）若S=1，則SPM=1，SPO=0，SPN=0；2）若S=0，則SPM=0，SPO=1，SPN=0；3）若 S=-1，則 SPM=0，SPO=0，SPN=1。顯然在任一時(shí)刻，開關(guān)SPM，SPO，SPN有且僅有一個(gè)開通，即SPM+SPO+SPN=1。

顯然此三電平APFC主電路可以表示為

利用狀態(tài)空間平均法得到：

式中：uC1，uC2分別為電容C1，C2的電壓；iM，iO，iN分別為從節(jié)點(diǎn)P流入節(jié)點(diǎn)M，O，N的電流；iC1，iC2分別為C1，C2中的電流；iRL為負(fù)載電流。

在直流母線側(cè)有：

綜合式（1）～式（4）得到此三電平APFC的狀態(tài)空間方程為

其中

在實(shí)際電路中，C1=C2，在穩(wěn)態(tài)情況下，直流母線側(cè)電壓可以表示為

從而得到uPO為

式中：sgn（iL）為電流的符號函數(shù)。

其定義為

根據(jù)式（5），可以得到如圖4所示的等效電路。從圖4中可以看出，對于交流側(cè)，單相三電平APFC相當(dāng)于一個(gè)受PWM控制的電壓源；而對于直流側(cè)，則相當(dāng)于2個(gè)受PWM控制的電流源。

圖4 三電平主電路的狀態(tài)空間等效電路模型Fig.4 State-space average model of the three-level APFC

3 單周期控制的工作原理

為了簡化電路設(shè)計(jì)，采用新型單周期專用芯片ICE1PCS01作為此三電平APFC的控制芯片。ICE1PCS01工作于平均電流模式，外圍電路設(shè)計(jì)簡單，不需要輸入電壓作為參考正弦信號，只需要采集輸出電壓，輸入電流，同時(shí)電壓環(huán)和電流環(huán)設(shè)計(jì)簡單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，并且具有多重保護(hù)功能。其簡要控制框圖如圖5所示。

圖5 單周期控制框圖Fig.5 Block diagram of one cycle control

要實(shí)現(xiàn)PFC，需要滿足2個(gè)條件：1）電感電流iL為正弦且相位與交流輸入電壓uin一致；2）輸出電壓udc能穩(wěn)定在一定范圍內(nèi)。若控制策略滿足這2個(gè)條件，變換器的輸入阻抗可以等效為一個(gè)電阻Re，則：

對于三電平APFC來說，穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入電壓、輸出電壓與開關(guān)管占空比d的關(guān)系為

由式（9）和式（10）得：

式（11）兩邊同乘電流采樣電阻Rs得到：

令um=udcRs/2Re，化簡得到：

由于電壓環(huán)路相對于電流環(huán)路帶寬比較窄，在1個(gè)周期內(nèi)，可以認(rèn)為輸出電壓udc為1個(gè)恒定值，調(diào)制電壓um在1個(gè)周期內(nèi)為1個(gè)常數(shù)，所以um對時(shí)間的積分為1個(gè)斜坡信號。在每個(gè)控制周期開始，存在死區(qū)時(shí)間Toff（min），這段時(shí)間內(nèi)，開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)，在死區(qū)時(shí)間結(jié)束后，斜坡信號uRAMP開始上升，當(dāng)與輸入電流對應(yīng)的平均值信號uCREF相等時(shí)，開關(guān)管開始開通，直至本開關(guān)周期結(jié)束。工作過程如圖6所示，其中d為占空比，dˉ為（1-d），Ts為開關(guān)周期。

圖6 PWM信號產(chǎn)生波形Fig.6 PWM signal waveforms

由于ICE1PCS01的電流采樣引腳的輸入電壓非常低，而傳統(tǒng)的二極管整流電路存在導(dǎo)通壓降、非線性誤差及壓降受溫度影響等問題。為了準(zhǔn)確地采集到電流信號，將精密全波整流電路［5］應(yīng)用到電流采樣中，運(yùn)算放大器和反饋很好地消除了無源全波整流器的二極管壓降問題，解決了此三電平APFC在電流過零點(diǎn)的交越失真。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

設(shè)計(jì)了1臺(tái)額定輸入220 V，額定輸出700 V/2 kW的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。主電路選用以下參數(shù)的器件：電感使用PQ50磁芯，L=483 μH，C1=C2，各為4個(gè)400 V/330 μF的電容并聯(lián)。功率MOSFET采用IXFH36N60P，快恢復(fù)二極管采用DSEI120-12A，開關(guān)管工作頻率為100 Hz。

在輸入電壓220 V，輸出功率為1.9 kW情況下，得到如圖7所示實(shí)驗(yàn)波形，電感電流基本上為正弦，且相位與輸入電壓一致，能夠很好地跟隨交流輸入電壓，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正的目的。輸入電流在過零點(diǎn)的局部放大圖如圖8所示，在電流的過零點(diǎn)附近，電流能實(shí)現(xiàn)平滑過渡，幾乎不存在交越失真問題，說明在電流采樣過程中，使用精密全波整流電路，幾乎不存在管壓降和非線性誤差等問題。

圖7 輸入電壓與電感電流波形Fig.7 Waveforms of input voltage and inductor current

圖8 電流在過零點(diǎn)波形Fig.8 The zero-crossings of the input current

5 結(jié)論

1）對三電平APFC的工作過程進(jìn)行了分析，通過使用開關(guān)函數(shù)對電路進(jìn)行描述，利用狀態(tài)空間平均法，得出了電路準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。

2）簡要分析了單周期控制的原理，將單周控制專用芯片ICE1PCS01用于三電平APFC中，使電路設(shè)計(jì)簡單，易于實(shí)現(xiàn)控制。根據(jù)APFC原理設(shè)計(jì)了1臺(tái)2 kW實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用三電平結(jié)構(gòu)的APFC電路，開關(guān)管的應(yīng)力為直流母線電壓的一半，輸入電流能夠?qū)崿F(xiàn)正弦，且與輸入電壓相位一致，功率因數(shù)大于0.99。精密全波整流電流應(yīng)用于電流采樣中，電流在過零點(diǎn)附近幾乎不存在失真。

［1］Kolar J W，Zach F C.A Novel Three-phase Utility Interface Minimizing Line Current Harmonics of High-power Telecommunications Rectifier Modules［J］.IEEE Trans.on Industrial Electronics，1997，44（4）：456-467.

［2］胡宗波，張波，胡少甫，等.Boost功率因數(shù)校正變換器單周期控制適用性的理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證［J］.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25（21）：19-23.

［3］Smedley K M，Cuk S.One-cycle Control of Switching Converters［J］.IEEE Trans.on Power Electronics，1995，10（6）：625-633.

［4］萬珍梅，馬運(yùn)東.單周期控制正負(fù)輸出Boost PFC的研究［J］.電力電子技術(shù)，2008，42（9）：12-14.

［5］鄭銀濤，郝育聞，金明錄.基于改進(jìn)型精密整流電路的電容式微位移傳感器設(shè)計(jì)［J］.傳感技術(shù)學(xué)報(bào)，2010，23（11）：1555-1559.