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（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(lái)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(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力為直流母線電壓的一半［1］，等效開(kāi)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(lái)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(lái)實(shí)現(xiàn)，采樣信號(hào)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(jiǎn)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(lái)，既降低了開(kāi)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(duì)使用整流橋采集電流信號(hào)出現(xiàn)電流過(guò)零交越失真的問(wèn)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(guò)零交越失真問(wèn)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(guò)開(kāi)關(guān)管VQ1，VQ2組成雙向開(kāi)關(guān)，可以實(shí)現(xiàn)電感在交流的正負(fù)半波流過(guò)對(duì)稱的交流電流，可以避免磁芯的單向磁化引起的偏磁問(wèn)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(guò)程：交流輸入的正半周；交流輸入的負(fù)半周。在每個(gè)過(guò)程中，又分為2種開(kāi)關(guān)模態(tài)：1）開(kāi)關(guān)管有導(dǎo)通信號(hào)，表示為Son；2）開(kāi)關(guān)管沒(méi)有導(dǎo)通信號(hào)，表示為Soff。在交流輸入的正半周，當(dāng)開(kāi)關(guān)管有導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，VQ1開(kāi)通，VQ2關(guān)斷，電流通過(guò)L，VQ1，VQ2的體二極管組成的回路，輸入電壓uin對(duì)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(kāi)關(guān)管沒(méi)有導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，VQ1關(guān)斷，VQ2關(guān)斷，電流通過(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)進(jìn)行簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)過(guò)程用開(kāi)關(guān)函數(shù)描述，開(kāi)關(guān)函數(shù)定義如下：

圖2 三電平APFC主電路的工作過(guò)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(kāi)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(kāi)關(guān)函數(shù)S分解SPM，SPO，SPN3個(gè)單刀開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)開(kāi)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(kāi)關(guān)SPM，SPO，SPN有且僅有一個(gè)開(kāi)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(hào)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(duì)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(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)單，不需要輸入電壓作為參考正弦信號(hào)，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(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，并且具有多重保護(hù)功能。其簡(jiǎn)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(duì)于三電平APFC來(lái)說(shuō)，穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸入電壓、輸出電壓與開(kāi)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(jiǎn)得到：

由于電壓環(huán)路相對(duì)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u(píng)m對(duì)時(shí)間的積分為1個(gè)斜坡信號(hào)。在每個(gè)控制周期開(kāi)始，存在死區(qū)時(shí)間Toff（min），這段時(shí)間內(nèi)，開(kāi)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(hào)uRAMP開(kāi)始上升，當(dāng)與輸入電流對(duì)應(yīng)的平均值信號(hào)uCREF相等時(shí)，開(kāi)關(guān)管開(kāi)始開(kāi)通，直至本開(kāi)關(guān)周期結(jié)束。工作過(guò)程如圖6所示，其中d為占空比，dˉ為（1-d），Ts為開(kāi)關(guān)周期。

圖6 PWM信號(hào)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(wèn)題。為了準(zhǔn)確地采集到電流信號(hào)，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(wú)源全波整流器的二極管壓降問(wèn)題，解決了此三電平APFC在電流過(guò)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(kāi)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(guò)零點(diǎn)的局部放大圖如圖8所示，在電流的過(guò)零點(diǎn)附近，電流能實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡，幾乎不存在交越失真問(wèn)題，說(shuō)明在電流采樣過(guò)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(wèn)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(guò)零點(diǎn)波形Fig.8 The zero-crossings of the input current

5 結(jié)論

1）對(duì)三電平APFC的工作過(guò)程進(jìn)行了分析，通過(guò)使用開(kāi)關(guān)函數(shù)對(duì)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(jiǎn)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(jiǎn)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(kāi)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(guò)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(guó)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(wàn)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.