姚瑞，鄧武

(1.大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連交通大學(xué) 軟件學(xué)院，遼寧 大連 116028)

一種圖騰柱PFC的控制方法及Simulink仿真

姚瑞1，鄧武2

(1.大連交通大學(xué) 電氣信息學(xué)院，遼寧 大連 116028；2.大連交通大學(xué) 軟件學(xué)院，遼寧 大連 116028)

針對圖騰柱PFC主電路的開關(guān)器件控制，提出了一種新的控制方法，目的是有效控制圖騰柱PFC主電路，實現(xiàn)降低諧波含量和提高功率因數(shù).該控制方法基于PWM跟蹤控制的思想，且使用了曲線擬合的方法，實現(xiàn)了在不同的電源電壓下穩(wěn)壓輸出的功能.為了驗證該控制方法的有效性，使用MATLAB的Simulink仿真工具，搭建主電路和控制電路模型進行仿真.對仿真得出的電流波形進行FFT分析，結(jié)果顯示，使用該控制系統(tǒng)的圖騰柱PFC理論上能夠得到很好的電氣性能.

圖騰柱PFC；PWM跟蹤控制；曲線擬合；仿真

0 引言

隨著開關(guān)電源的大量使用，開關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率和諧波污染已成為不可忽視的問題.功率因數(shù)校正(Power Factor Correction，PFC)能夠降低電源側(cè)的電流總諧波失真(Total Harmonic Distortion，THD)和無功功率，從而達到提升電能質(zhì)量和節(jié)能的目的.因此對PFC的研究具有重要的實際意義和可觀的經(jīng)濟效益.圖騰柱拓撲結(jié)構(gòu)是目前已知的PFC拓撲結(jié)構(gòu)中，使用器件最少的，同時共模噪聲低，具有良好的應(yīng)用前景.

文獻[1]使用UltraFast IGBT，實現(xiàn)了電流連續(xù)導(dǎo)通模式(Continuous Conduction Mode, CCM)的圖騰柱PFC，采用平均電流控制，說明CCM圖騰柱PFC是可行的.文獻[2]提出了占空比預(yù)測無橋數(shù)字PFC控制算法，比平均電流控制效果更優(yōu).文獻[3]提出了一種運用現(xiàn)有傳統(tǒng)臨界電流(Critical Conduction Mode, CRM)Boost PFC控制芯片UC3852的控制方法，不如CCM效果好.文獻[4-5]仍然使用CRM平均電流控制方式，但是對圖騰柱拓撲做了改進，使用了交錯并聯(lián)技術(shù)，達到了比較好的效果，但是多用了電感.文獻[6]對標(biāo)準圖騰柱拓撲和交錯并聯(lián)圖騰柱拓撲做了實驗，電流CRM的情況下，標(biāo)準圖騰柱拓撲效果不理想.

本文的控制方法針對標(biāo)準圖騰柱拓撲，較交錯并聯(lián)圖騰柱拓撲沒有增加額外的器件；使用CCM，較和CRM有更低的THD，更高的功率因數(shù)；使用跟蹤滯環(huán)控制，控制過程簡化.

1 圖騰柱PFC拓撲原理[1]

本節(jié)對圖騰柱PFC拓撲的原理進行簡要分析.圖騰柱PFC在交流電源正半周期和負半周期都相當(dāng)于Boost電路，因此輸出電壓要大于輸入電壓.

圖1為圖騰柱PFC拓撲結(jié)構(gòu).

圖1 圖騰柱PFC拓撲結(jié)構(gòu)

S1，S2為MOSFET，D1，D2為二極管，L1，C0，R0分別為電感，電容，電阻.在交流電正半周期，當(dāng)S1打開，交流電通過電感、S1、D2，對電感充電，相當(dāng)于電感直接接在電源上，電感電流上升.

當(dāng)S1關(guān)斷，交流電通過S1的體二極管、R0、C0、D2形成回路，電感L1和電源AC對電容C和電阻R放電，因輸出電壓高于電源電壓，電感L1電流下降.

在正弦交流電正半周期S2、S1的體二極管交替導(dǎo)通，D2持續(xù)導(dǎo)通，D1持續(xù)關(guān)斷.交流電負半周期的工作狀態(tài)和正半周期類似，只是交替導(dǎo)通的器件為S1、S2的體二極管，D1持續(xù)導(dǎo)通，D2持續(xù)關(guān)斷.

2 控制系統(tǒng)原理

本節(jié)介紹控制系統(tǒng)，先闡述控制方法，再闡述在不同輸入電壓下，穩(wěn)定輸出電壓的方法.

2.1控制方法

該控制方法的主要思想為PWM跟蹤控制，即電源電流跟蹤和電源電壓同相位的正弦信號，并且使用誤差控制，即參考電壓減去輸出電壓.輸出電壓的紋波峰峰值約為10 V，求誤差e時紋波不會縮小，這與幅值1的正弦相乘時會帶來很大干擾，會影響被控制的電源電流，使校正效果變差，甚至?xí)斐墒Э?在控制環(huán)節(jié)使輸入電壓信號通過低通濾波器可以極大地減小紋波.

設(shè)低通濾波器的輸出為el.el相當(dāng)于直流，須和電源電壓同相位的正弦信號相乘，電源電流才可以跟蹤el.

在交流電源正半周期，將乘法環(huán)節(jié)輸出減去電源電流的差值，送入滯環(huán)比較，當(dāng)差值為正，說明電源電流小于參考信號，需要增大，當(dāng)差值增大到環(huán)寬的上限時，滯環(huán)輸出1，控制S2開通，電源電流開始正向增加；同理，當(dāng)參考信號減電源電流的差值超過滯環(huán)的下限時，滯環(huán)輸出0，S2關(guān)斷.如此循環(huán)，電源電流圍繞參考信號在滯環(huán)限制的范圍內(nèi)變化，滯環(huán)寬度越窄，電源電流波形越逼近正弦，功率因數(shù)提高，諧波含量降低.

在交流電的負半周期，如果不加處理，滯環(huán)比較的邏輯與交流正半周期相反, 因為S1開通時，電流反向增大，數(shù)值上減小；S1關(guān)斷時，電流反向減小，數(shù)值上增大.可將輸入滯環(huán)的信號取絕對值，統(tǒng)一邏輯，簡化控制.控制系統(tǒng)產(chǎn)生的信號在電源正半周期控制S2，負半周期控制S1.

2.2基于曲線擬合的輸出穩(wěn)壓

在研究中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)參考電壓固定，電源電壓變化時，輸出電壓也隨之變化，它們之間的相互關(guān)系如表 1所示，可以看出輸出特性較差.

表1 參考電壓420時不同電源電壓下的輸出電壓

為了穩(wěn)定輸出電壓，使用曲線擬合的方法，根據(jù)輸入電壓求參考電壓.先進行以下仿真實驗：在不同電源電壓下，改變參考電壓，使輸出電壓穩(wěn)定在400 V，設(shè)電源電壓為x，參考電壓/400為y，通過仿真得出6組數(shù)據(jù)，如圖2.

圖2 數(shù)據(jù)坐標(biāo)圖

由圖 2，根據(jù)圖像走勢，嘗試用反比例函數(shù)進行擬合.選取模型的表達式為：

該模型相當(dāng)于反比例函數(shù)平移，更加符合實際.使用MATLAB曲線擬合工具箱進行擬合，擬合結(jié)果如表 2所示.

表2 擬合結(jié)果

根據(jù)電源電壓求參考電壓的表達式為

(2)

3 圖騰柱PFC主電路參數(shù)計算

本節(jié)介紹圖騰柱PFC主電路在Simulink中的模型，及主電路元件參數(shù)計算.

電感的計算公式[7]：

(3)

式中，D為占空比；Vout為輸出電壓，取400 V；Vin_min為輸入電壓最小值，取40 V；Pout為輸出功率，取1 500 W；Fsw為開關(guān)頻率，取100～200 kHz.經(jīng)計算，L取500 uH.

電容的計算公式[7]：

(4)

式中，tholdup取50 Hz正弦交流電的一個周期，0.02s；fline為交流電頻率；Vripple為紋波的峰峰值，取10 V.經(jīng)計算，C取1 250 uF.

電阻的計算：

Vo=400 V，Po=1 500 W，電阻值約106 Ω.

4 仿真結(jié)果及分析

本節(jié)給出仿真模型及仿真結(jié)果，通過對結(jié)果的分析來驗證控制系統(tǒng)的控制性能.采用了3個不同的輸入電壓來驗證穩(wěn)壓效果,如圖3、4所示.

控制的效果主要通過主電路輸入輸出的指標(biāo)來評價.PFC必須滿足：①功率因數(shù)接近1；②THD≤5%；③效率高(參考80PLUS標(biāo)準).針對本文使用的Simulink模型，在計算時，使用紋波的峰峰值為10 V，實際應(yīng)不大于10 V.以上指標(biāo)的驗證選取輸入電壓220 V.另外，不同電源電壓下應(yīng)當(dāng)穩(wěn)定輸出400 V.

圖3 控制系統(tǒng)的 Simulink模型

圖4 圖騰柱PFC主拓撲的Simulink模型

4.1穩(wěn)壓效果驗證

表3為不同輸入電壓下的輸出電壓，可見不同輸入電壓下可以穩(wěn)定輸出400 V.輸出電壓有一定誤差，但可以忽略不計，若要進一步減小誤差，可以提高被擬合數(shù)據(jù)的精確度，或者選取更好的數(shù)學(xué)模型.

表3不同輸入電壓下的輸出電壓V

輸入電壓輸出電壓100400．2150400．2200400．1

4.2負載側(cè)電壓分析

由圖 5可知，電壓在仿真時間內(nèi)，迅速穩(wěn)定，并在400上下浮動.電源電壓220 V時，輸出仍為400V.紋波峰峰值≤10 V.

(a) 負載電壓完整波形

(b) 負載電壓局部波形

4.3電源側(cè)電流分析

圖6為電源電流波形圖，由圖6(b)可以看出，0.22 s為電流一個周期開始，0.24 s為電流一個周期結(jié)束，電流相當(dāng)于初相為0，頻率為50 Hz的正弦波，輸入的正弦電壓也是初相為0頻率為50 Hz的正弦波.可以定性地得出功率因數(shù)接近1，將用FFT定量分析功率因數(shù).

(a) 電源電流完整波形

(b) 電源電流局部波形

對電源電流穩(wěn)定后的波形進行FFT分析，結(jié)果如表 4所示.其中基頻50 Hz的相位為0.1°，cos 0.1gt;0.999，功率因數(shù)非常接近1.THD=4.63%lt;5%，諧波含量滿足要求.

表4 穩(wěn)定后的電源電流FFT分析結(jié)果

輸入功率為220×6.936= 1 525.92 W，實際輸出功率400.5×400.5÷106=1513.21 W，效率為1513.21÷1 525.92=0.991 7≥0.98，效率滿足要求.

5 結(jié)論

針對圖騰柱PFC，本文提出一種控制方法，使用Simulink進行仿真，仿真得出的THD、功率因數(shù)和效率都達到了較高的標(biāo)準；在不同的電源電壓下，輸出都可以穩(wěn)定在400 V；輸出的直流電壓有較小的紋波，整套系統(tǒng)輸入輸出特性良好.理論上證明了控制方法的正確性和高效性.

控制方法實現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)壓時，使用了數(shù)學(xué)建模的方法，將非線性的電力電子電路簡化為輸出電壓400 V下的電源電壓—參考電壓模型，使用曲線擬合，實現(xiàn)了輸出穩(wěn)壓.

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AControlMethodofTotem-PolePFCandItsSimulinkSimulation

YAO Rui1, DENG Wu2

(1. School of Electronics and Information Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China; 2.Software Institute, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Focused on the control of switching devices in totem-pole PFC′s main circuit, a new control method is presented. The purpose of the method is to effectively control totem pole PFC main circuit, achieve reducing total harmonic distortion and improve the power factor. The control method is based on the PWM tracking control, and the curve fitting method is used to stabilize output voltage under different supply voltages. In order to verify the validity of the control method, the main circuit model and control circuit model are built with MATLAB/Simulink, then simulated and finally conducted FFT analysis of the current waveform. Results show that the Totem-pole PFC using the control system can get good electrical performance theoretically.

Totem-pole PFC; PWM tracking control; curve fitting method; simulation

1673- 9590(2017)06- 0111- 04

2017- 04-28

姚瑞(1991-)，男，碩士研究生;

鄧武(1976-),男，教授，博士，主要從事智能優(yōu)化與信息處理、智能診斷的研究

E-mail12634293@qq.com.

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