基于saber的PFC Boost变换器仿真研究和实验验证

2010-11-05程为彬郭颖娜

电子测试 2010年3期

周涛，程为彬，郭颖娜

（西安石油大学电子工程学院，陕西西安 710065）

0 引言

Boost变换器经常用于对直流电压变换的设备中，变换器稳压系统的设计对变换器的性能以及开关器件的安全有着重要的影响。在DC/DC变换器中，除Buck变换器外，Boost、Buck-Boost和Cuk变换器的开环传递函数均有一个位于右半平面的零点，使得使用单一的反馈电压控制环难以同时保证系统在受到某种扰动作用时，既有很好的动态品质又不致造成系统失稳。为此，必须在开关调节系统中获取更多的反馈信息，以实现双环或多环控制,以获得比单环控制更好的动态品质。然而，双环开关调节系统的分析或设计是较为困难的.原因是系统固有的强非线性，以及被检测的电流中既有直流分量也有交流分量，两者同时对系统导通比d的生成产生影响[1]。

由于Boost、Buck-Boost变换器均为二阶系统，有两个状态变量(电感电流和电容电压)，因此，在开关调压系统中取输出电压和电感电流两种反馈信号实现双环控制，符合最优控制规律，可以获得更好的动态品质。在双环控制中，又分为峰值电流控制模式、平均电流控制、滞环电流控制模式[2]。在这3种模式中,峰值电流控制使电流峰值和平均值之间存在误差，无法满足总谐波失真度(THD)很小的要求；不仅电流峰值对噪声敏感，而且需要在比较器输入端加斜坡补偿函数。滞环电流控制由于开关频率随占空比变化，存在电流过零点的死区问题：由于负载对开关频率影响很大，滤波器设计只能按最低频率设计；同时滞环宽度对开关频率和系统性能影响较大，需合理选取。

平均电流控制由于电流环有较高的增益带宽，具有跟踪误差小、动态特性较好的特点，还具有THD小、对噪声不敏感的优点，适用于大功率应用场合。平均电流控制模式与峰值电流控制模式相比，具有控制精度高、抗噪性能优越、不需斜坡补偿以及易于实现均流等优点[3]。

1 平均电流控制模式的原理

平均电流控制型的功率因数校正Boost变换器的原理图如图1所示。

图1 Boost型平均电流控制法PFC电路控制原理图

在这种APFC控制方法中，采用了电流控制环和电压控制环，其中电流控制环使输入电流更接近正弦波，电压控制环使Boost电路输出的电压更稳定。基准电流由输入整流电压与输出电压误差放大信号的乘积组成，其中从输入整流电压取样的目的是使基准电流与整流后的电压波形同相，通过控制电流控制型脉宽调节器的占空比，使电感电流iL逼近平均电流iave，其波形见图2所示。当电感电流上升时占空比下降，从而电感电流减小；反之，则加大电感电流。当输出电压Uo上升时，导致乘法器输出的基准电流减小，使电感电流减小，从而使输出电压下降，反之，则电感电流增大，使输出电压上升。

图2 平均电流控制技术电感电流波形图

2 系统仿真性能分析

运用saber可建立起整个闭环控制系统的控制仿真模型。控制系统仿真中的模型的特点无量纲、单向流动，所以在控制系统和模拟系统混合仿真的时候要进行信号转换，这就需要中间模块，saber元件库中的Interface Models可以实现这一职能。

输入电压为130V，负载电阻为550Ω，输出电容为150μF时，得到变换器的动态过程如图3所示，从图4中可以清楚地看到变换器上电后的动态过程，其中输出电压略有超调，待动态过程结束后，电感电流的平均值呈现正弦半波，这时输入电流与输入电压为频率和相位都相同的正弦波，功率因数接近为1，实现了电路的功率因数校正功能，同时输出电容电压也呈现周期波动，频率为输入正弦波频率的两倍。