劉 洋 夏益輝 張俊洪 陳珞珈

（海軍工程大學電氣工程學院 武漢 430033）

1 引言

隨著手機、筆記本和電動汽車等廣泛用于人們的日常工作和生活，人們對其充電裝置的要求也越來越高，而功率因數(shù)校正PFC（Power Factor Correc?tion）變換器作為這些充電裝置的重要組成部分，正在朝著高效率、高功率密度和高可靠性等方向發(fā)展。

為了提高有源功率因數(shù)校正系統(tǒng)的運行性能，國內(nèi)外很多專家學者對其進行領了深入研究與分析。與傳統(tǒng)基于整流橋的Boost PFC變換器相比，無橋PFC不需要整流橋，降低了損耗［1］。圖騰柱式PFC具有與無橋PFC相同的功率器件［2］，其利用MOSFET自身的體二極管續(xù)流，造成反向恢復損耗，不適合采用電感電流CCM控制模式［3］。為了降低反向恢復損耗，提出了多種有源功率因數(shù)校正拓撲結(jié)構(gòu)和控制方法［4～11］。但是，這些拓撲結(jié)構(gòu)都需要檢測輸入電壓正負極性，使得系統(tǒng)成本增加和控制復雜。

無論無橋PFC還是傳統(tǒng)基于整流橋的Boost PFC，其在起動時都不可避免地會產(chǎn)生沖擊電流，為了降低沖擊電流，確保功率器件安全，很多文獻提出在主電路中串聯(lián)限流設備如溫敏電阻或溫度系數(shù)裝置等，雖然能夠降低起動電流，但會造成系統(tǒng)效率降低和成本增加。部分文獻通過在負載電流流通路徑串聯(lián)電容來減小Cuk、Seopic和諧振型PFC等變換器的起動電流，同樣存在降低起動電流有限、無源器件增加、效率降低和成本增加的問題［12～16］。為此，文獻［17～18］提出一種新型諧振PFC變換器，無需整流橋且具有一定的抑制起動電流的能力，但其只適用于小功率無橋PFC系統(tǒng)，降低其應用范圍，同時由于系統(tǒng)起動過程中，直流側(cè)電壓上升速度與起動電流以及系統(tǒng)動態(tài)響應存在一定的矛盾，對于電流控制策略缺少詳細的論述，抑制起動電流能力仍須進一步提升。此外，文獻［19～20］對有源功率因數(shù)校正系統(tǒng)也進行了分析。

本文首先分析了諧振型PFC變換器的基本工作原理；其次，探討了諧振電路參數(shù)設計的基本原則及減小起動電流的工作原理；再次，對諧振無橋PFC變換器雙閉環(huán)和前饋補償控制方法進行了研究，重點探討了參考輸入電流限幅設計進行了分析；最后對雙閉環(huán)和前饋補償控制通過引入?yún)⒖驾斎腚娏飨薹糜谥C振無橋PFC變換器的運行性能進行了仿真研究與分析。仿真結(jié)果表明對雙閉環(huán)和前饋補償控制通過引入?yún)⒖驾斎腚娏飨薹梢杂行Ы档推饎与娏?，同時對輸入電流諧波和輸出電壓紋波系數(shù)具有一定的抑制效果，仿真結(jié)果與理論分析基本一致，證明了理論分析是正確的和所提方法是可行的。

2 諧振PFC變換器基本結(jié)構(gòu)和工作原理

2.1 基本結(jié)構(gòu)

圖1（a）、（b）分別為傳統(tǒng)無橋和諧振無橋PFC電路，傳統(tǒng)無橋PFC電路由濾波電感L、支撐電容C、方向二極管D1、主電路功率器件D3、D4和S1、S2組成，諧振無橋PFC電路在傳統(tǒng)無橋PFC電路上，增加了一諧振電路，由諧振電容Cr、諧振電感Lr和續(xù)流二極管D2組成。其中，濾波電感L用于濾除高頻諧波電流，功率管S1和S2用于實現(xiàn)泵升，二極管D1用于確保電網(wǎng)向支撐電容C和負載供電以及避免儲能向電網(wǎng)倒灌，諧振電容Cr用于降低起動電流，其和諧振電感Lr和二極管D2用于在每個開關(guān)周期將電容Cr儲能釋放。由文獻［17，18］可知，當諧振頻率fr低于開關(guān)頻率fs時，系統(tǒng)功率損耗較小，因此，本文基于諧振周期小于開關(guān)周期的軟起動方法進行分析。

圖1 諧振PFC變換器基本結(jié)構(gòu)

2.2 工作模式和升壓原理

1）工作模式

與傳統(tǒng)無橋PFC變換器相比，諧振型無橋PFC變換器無需輸入電源Ua極性判斷，功率管S1和S2驅(qū)動信號相同。圖2為調(diào)制模式和輸入電流、諧振電流波形。圖中ton、toff分別為一個開關(guān)周期Ts內(nèi)的導通時間和關(guān)斷時間。

圖2 調(diào)制模式和輸入電流、諧振電流波形

假定輸入電壓極性上“+”下“-”，諧振型無橋PFC變換器工作狀態(tài)如圖3（a）、（b）和（c）所示。

圖3 諧振型無橋PFC工作狀態(tài)

t0-t1時刻：S1和S2導通，Ua經(jīng)L、S2和D4形成回路，L開始儲能；電容Cr兩端電壓經(jīng)S1、S2、D2和Lr形成放電回路，在t1時刻，諧振支路icr電流為0；負載由電容C供電。電壓方程如下：

t1-t2時刻：S1和S2繼續(xù)導通，電感L繼續(xù)儲能，同時諧振支路停止放電，Vcr=0。電壓方程如下：

t2-t3時刻：S1和S2關(guān)斷，電感L儲能和輸入電源Ua共同向電容C充電和負載供電。電壓方程如下：

2）升壓原理

諧振型無橋PFC變換器工作在兩種模式：諧振模式和PWM模式，由圖2、圖3可知，功率管開通時儲能、關(guān)斷時向負載供電和電容C充電，因此，其升壓原理與Boost變換器相同，輸出電壓Ucd與輸入電源電壓Ua之間的關(guān)系如式（4）所示。

其中，D為占空比，D=ton/Ts。

3 諧振電路參數(shù)設計

3.1 起動電流影響因素分析

圖4（a）、（b）分別為傳統(tǒng)無橋和諧振無橋PFC等效起動電路。假定輸入電源上“+”下“-”，忽略負載電阻R影響，此時可知起動電流表達式為

圖4 有無諧振無橋PFC等效電路

為了減小起動電流，在傳統(tǒng)無橋PFC電路上，增加了諧振電路，如圖1（b）所示。由于C>>Cr，線路中由電容引起的容抗由諧振電容Cr決定，等效電路如圖4（b）所示，圖中同樣假定輸入電源Ua上“+”下“-”，此時起動電流表達式為

由上式可知，與傳統(tǒng)無橋PFC電路相比，串聯(lián)諧振無橋PFC電路的起動電流明顯減小。

3.2 諧振電路參數(shù)設計

由式（6）可知，可以通過減小諧振電容Cr和增大濾波電感L來減小輸入電流，但濾波電感增大會增大系統(tǒng)體積和成本且對系統(tǒng)穩(wěn)定性也有影響。振電容與其電壓峰值Vcrmax之間關(guān)系如式（7）所示［17］：

由式（7）可知，諧振電容大小與其耐壓值密切相關(guān)：Cr值小，起動電流小，但尖峰電壓大，要求電容高耐壓；Cr值大，起動電流大，尖峰電壓小，電容耐壓低。此外，諧振電容受諧振頻率影響，必須滿足如下關(guān)系：

由此可知，諧振電容主要受諧振頻率、電容電壓峰值和最大起動電流影響，因此，諧振電容和電感參數(shù)時應滿足如下約束條件。

4 雙閉環(huán)和前饋補償?shù)母倪M控制策略

諧振電路雖然可以有效降低起動電流瞬時大小，但在直流電壓上升過程中，直流電壓上升比較緩慢，加之濾波電感存在儲能，使得系統(tǒng)電壓上升過程中，不可避免地會產(chǎn)生過電流現(xiàn)象。為了有效抑制直流側(cè)電壓上升過程中過電流的產(chǎn)生，對基于電壓電流雙閉環(huán)和前饋補償?shù)目刂撇呗赃M行了改進：電壓環(huán)輸出參考電流進行限幅。圖5為基于電壓電流雙閉環(huán)和前饋補償?shù)臒o橋PFC電路軟起動控制策略。

圖5 雙閉環(huán)和前饋補償改進控制框圖

圖中由于直流側(cè)電壓存在波動，為了提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，對直流側(cè)采樣電壓進行低通濾波處理之后再進入電壓閉環(huán)控制；諧振PFC變換器不需要輸入電壓極性檢測，因此參考輸入電流采用單位輸入電壓絕對值與電壓環(huán)輸出電流幅值相乘作為參考電流，參考電流與采樣輸入電流的差值經(jīng)PI控制器作為功率器件的導通時間，并將其與前饋補償1-abs（Ua）/Udc_ref之和作為最終占空比。

對于限幅控制，可根據(jù)系統(tǒng)功率和起動電流允許值進行設計。為了減小起動電流和確保系統(tǒng)迅速正常工作，同時兼顧系統(tǒng)電磁兼容要求，忽略功率損耗，由輸入輸出功率守恒得：

功率器件電流選擇時，通常選取為系統(tǒng)電流的1.5倍左右，為了保證系統(tǒng)具有較快的動態(tài)響應速度、確保系統(tǒng)無過流現(xiàn)象發(fā)生和考慮PFC電路起動時間比較短的特點以及功率器件安全可靠工作，參考電流限幅選取為功率器件額定電流之下，即Iim≤1.5Io。

5 仿真驗證

利用Matlab軟件搭建了額定功率PN=4kW諧振型無橋有源功率因數(shù)校正系統(tǒng)仿真模型，具體參數(shù)設置見表1。

表1 無橋PFC電路參數(shù)

將Ucd=400V，Ua=220V，fs=50kHz，代入式（8）得fr≥ 55.5kHz，取諧振頻率fr=60kHz。諧振電容Cr兩端電壓Vcr不超過直流側(cè)電壓的10%，系統(tǒng)最大起動電流應根據(jù)功率器件最大過流能力和時間來確定，選取為功率器件額定電流以下或系統(tǒng)電流1.5倍以下，由此式（11）成立：

由此可得 2.25μF≤Cr≤4.64μF，取Cr=3.3μF，諧振電感Lr=2.13μH。

圖6、圖7分別為傳統(tǒng)無橋PFC系統(tǒng)雙閉環(huán)和前饋補償參考輸入電流無限幅和有限幅控制時的輸入電壓、輸入電流和直流輸出電壓波形。由圖6和圖7可知，參考輸入電流無限幅和有限幅控制時，系統(tǒng)啟動電流均較大，無限幅控制時啟動電流峰值達到190A，有限幅控制時啟動電流峰值為165A，相比與無限幅控制有所減小，輸出電壓紋波系數(shù)和輸入電流諧波含量基本相同，仿真結(jié)果表明針對傳統(tǒng)諧振無橋PFC系統(tǒng)來講，針對參考輸入電流進行限幅控制時，對起動電流的抑制效果并不明顯。

圖6 傳統(tǒng)無橋PFC系統(tǒng)無限幅控制時輸入電壓、電流和直流輸出電壓波形

圖7 傳統(tǒng)無橋PFC系統(tǒng)有限幅控制時輸入電壓、電流和直流輸出電壓波形

圖8、圖9分別為諧振無橋PFC系統(tǒng)雙閉環(huán)和前饋補償參考輸入電流無限幅和有限幅控制時的輸入電壓、輸入電流和直流輸出電壓波形。由圖6和圖8對比可知，輸出側(cè)串聯(lián)一諧振電路之后，輸出電壓紋波系數(shù)和諧波含量也都有所減小，起動電流峰值明顯減小，降為80A，但此時起動電流仍然較大，約為3倍的額定電流，如此大的起動電流勢必會影響功率器件的安全運行，必須進一步減小起動電流。由圖8和圖9可知，諧振無橋PFC系統(tǒng)參考電流進行限幅控制之后，輸出電壓紋波系數(shù)和諧波含量與無限幅控制時基本相同，而起動電流峰值由之前80A降為38A，起動電流明顯減小，約為1.5倍的額定電流。仿真結(jié)果表明諧振無橋PFC系統(tǒng)通過在雙閉環(huán)和前饋補償控制系統(tǒng)中引入?yún)⒖驾斎腚娏飨薹刂?，可以有效抑制系統(tǒng)的起動電流，仿真結(jié)果與理論分析基本一致。

圖8 諧振無橋PFC系統(tǒng)無限幅控制時輸入電壓、電流和直流輸出電壓波形

圖9 諧振無橋PFC系統(tǒng)有限幅控制時輸入電壓、電流和直流輸出電壓波形

6 結(jié)語

通過建立無橋PFC系統(tǒng)起動過程等效電路，獲得了影響起動電流的因素，并在此基礎之上，分析了諧振電路減小起動電流的基本原理；由于諧振電容參數(shù)受起動電流和開關(guān)頻率的限制，起動電容不能太小，使得系統(tǒng)依然存在起動電流大的問題，為此提出在雙閉環(huán)和前饋補償控制中引入?yún)⒖驾斎腚娏飨薹刂频姆椒?，并對傳統(tǒng)無橋PFC和諧振無橋PFC的運行性能進行了仿真對比研究。從理論分析和仿真結(jié)果中可以得出以下結(jié)論。

1）諧振電路可以減小起動電流，但起動電流依然比較大；

2）雙閉環(huán)和前饋補償控制中引入?yún)⒖驾斎腚娏飨薹刂频姆椒?，在傳統(tǒng)無橋PFC系統(tǒng)中抑制起動電流的效果不明顯；

3）雙閉環(huán)和前饋補償控制中引入?yún)⒖驾斎腚娏飨薹刂频姆椒ǎ谥C振無橋PFC系統(tǒng)中具有較好的抑制起動電流效果。