安徽理工大學電氣與信息工程學院 馬曉露 薛亞彬

0 引言

開關電源的廣泛應用給電網(wǎng)帶來了輸入側的波形畸變、功率因數(shù)降低等問題。提高功率因數(shù)，進行諧波抑制，從而改善電能質(zhì)量，為現(xiàn)階段研究的熱點和重點，功率因數(shù)校正(PFC)電路得到了較多的應用。近年來，很多科研機構以及電源企業(yè)對升壓型功率因數(shù)校正（Boost PFC）電路進行了大量研究，并應用在實際電源設計中[1]。幾乎全部的升壓型（Boost）功率因數(shù)校正控制方法大致都涉及到雙環(huán)控制，即電壓環(huán)、電流環(huán)[2]。本文通過Matlab Simulink軟件，進行了雙閉環(huán)PI控制Boost PFC電路仿真模型的搭建與仿真實驗研究，對實現(xiàn)實際電路有著很好的參考價值。

1 拓撲電路和控制方法選擇

圖1 Boost PFC電路結構

在實際PFC電路設計中，需要完成電壓的轉(zhuǎn)換，使輸入電流跟蹤全波整流電流，直流電壓輸出穩(wěn)定[3]。本文PFC電路采用Boost拓撲結構，圖1為Boost PFC電路結構。由二極管、功率開關管、電感和電容等構成PFC主電路，電流iL通過二極管D續(xù)流。

PFC控制電路需確保電壓輸出穩(wěn)定以及輸入電壓、電流達到同一相位。電路采取電壓、電流雙閉環(huán)控制方式，圖2為電壓環(huán)、電流環(huán)雙閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖。電壓環(huán)采取定值方式進行控制，從而達到跟蹤誤差的目的，電壓控制器采用PI控制器。電流環(huán)輸出脈沖信號控制功率開關管，讓輸入電流跟蹤輸入電壓，電流信號和輸入側的電壓采樣信號達到同相位，電流控制器也采用PI控制器。電流環(huán)給定值是輸入電壓的采樣和電壓環(huán)的輸出兩者的乘積，可使電流環(huán)的輸出電流和輸入電壓同相。

圖2 電壓、電流雙閉環(huán)控制原理框圖

2 電流環(huán)、電壓環(huán)PI控制器

PFC性能的好壞關鍵在于對控制電路中PI控制參數(shù)等的設置。對于電流環(huán)PI控制器的確定，需要分析Boost PFC控制電路電流環(huán)的傳遞函數(shù)數(shù)學模型[4]。圖3為電流環(huán)結構控制框圖。

圖3 電流環(huán)PI控制器

KiP、KiI為電流環(huán)PI控制器的控制參數(shù)，KvP、KvI為電壓環(huán)PI控制器的控制參數(shù)。電流環(huán)、電壓環(huán)PI控制器傳遞函數(shù)分別為：

3 電路仿真結果分析

圖4為運用MATLAB軟件搭建的Simulink仿真模型。系統(tǒng)輸入交流電源AC 220V，輸出電壓為310V，設置系統(tǒng)仿真運行0.5s。圖5為交流電源電壓Vac和電流Iac的波形，可見系統(tǒng)運行過程中，在0.1s以后，輸入電流和輸入電壓的波形同相。

圖4 電路仿真模型

圖5 交流電源電壓、電流波形

圖6 輸出電壓Vo波形

圖7 輸入電流諧波含量圖

表1 電流環(huán)、電壓環(huán)參數(shù)與Vo穩(wěn)定時間關系

圖6為BOOST電路的輸出電壓Vo波形，可見Vo在較短的時間后，穩(wěn)定在了310V附近。圖7為輸入電流進行FFT分析，所得的輸入電流諧波含量圖，輸入電流的基波分量最大，測得THD=6.32%。行，表1為對示波器顯示的Vo波形進行觀測所得的輸出電壓Vo達到穩(wěn)定所需的大致時間。通過比較可知，當設置合適的電流環(huán)、電壓環(huán)PI控制器的控制參數(shù)時，可使系統(tǒng)具有較快的響應速度和良好的PFC性能。

4 結束語

本文進行了雙閉環(huán)PI控制Boost PFC電路的仿真研究。由系統(tǒng)的仿真運行結果分析可得，通過合理選擇PI控制參數(shù)，可使系統(tǒng)擁有較快的響應速度，功率因數(shù)校正后系統(tǒng)的電流、電壓同相，功率因數(shù)接近于1，輸出電壓很快達到穩(wěn)定值，響應迅速，但在310V附近存在一定的紋波。同時THD值只有6.32%，輸入電流的諧波抑制效果較好，對研究Boost PFC電路的雙閉環(huán)PI控制有著較好的參考價值。

[1]楊存祥,何康,金楠,馮雪.一種新型PFC 的控制仿真研究[J].電源技術,2015,39(3):586-587.

[2]張艷杰.升壓型雙閉環(huán)控制有源功率因數(shù)校正電路設計[J].電氣技術,2016(9):43-46.

[3]王智,方煒,劉曉東.數(shù)字控制的單周期PFC 整流器的設計與分析[J].中國電機工程學報,2014,34(21):3423-3431.

[4]石誠,王君艷.基于Matlab Simulink的無橋PFC變換器的仿真[J].通信電源技術,2014,31(2):24-27.