单周期控制单电感三电平无桥升压的功率因数校正

杨庆江,　景艳凤,　李　晓

(黑龙江科技学院 电气与信息工程学院, 哈尔滨 150027)



单周期控制单电感三电平无桥升压的功率因数校正

杨庆江,景艳凤,李晓

(黑龙江科技学院 电气与信息工程学院, 哈尔滨 150027)

为提高逆变器或不间断电源控制系统的功率因数，抑制输入电流的谐波，将单周期控制技术应用到一种新型的单电感三电平无桥升压功率因数校正电路，分析其充放电的工作原理与单周期控制模式，建立了单周期控制的单电感三电平无桥升压电路的Simulink模型。结果表明：单周期控制能够抑制输入电流中的谐波，总谐波畸变率为0.1，输入功率因数达0.995。

功率因数; 单周期控制; 单电感三电平无桥

功率因数校正PFC的目的是纠正电网输入电流波形,减少输入电流畸变对电网的谐波污染,提高开关电源性能并改善电网质量[1]。为进一步改善单相电源前级PFC整流器的性能,越来越多学者研究无桥PFC电路拓扑。单电感三电平无桥升压PFC相比传统的三电平拓扑,只有一个电感,器件利用率高,且具有自然电压钳位功能,共模噪声小,但其输入电流中有较大的谐波成分,影响输出电压的质量。

将单周期控制技术引入到单电感三电平无桥升压PFC电路,不需要乘法器和输入电压检测,且具有调节和控制的双重功能[2]。分析表明,单周期控制单电感三电平无桥升压 PFC拓扑的电路结构及控制简单;开关管承受一半的直流母线电压,电压应力低。仿真证实单周期控制能够抑制谐波、提高功率因数。

1　PFC工作原理

传统的三电平无桥升压PFC整流器的两个直流母线上分别包含一个电感,为了更好的利用器件,且达到自然电压钳位效果,文献[3]提出只有一个电感的无桥升压功率因数校正电路,如图1所示。

图1　单电感三电平无桥升压 PFC电路

在交流输入正半周期,MOS管M2工作在PWM模式下,快恢复二极管DF1则作为升压电路的续流二极管工作,如图2所示。交流输入负半周期,MOS管M1工作在PWM模式下,快恢复二极管DF2则作为升压电路的续流二极管工作,如图3所示(实线表示工作状态)。其工作原理波形如图4所示。

图2　正半周期充、放电阶段

Fig. 2Charging and discharging stage in positive half-line cycle

图3　负半周期充、放电阶段

Fig. 3Charging and discharging stage in negative positive half-line cycle

图4　工作原理波形

正半周期充电阶段,由图2a和图4可见,t0时刻,M2和DS2导通,DF1承受整个电压降,D1无电流而前向偏置,输入电压给电感Lin充电,输入电流iin(t)线性增加,电容C01、C02给负载供能,D1前向偏置。到t1时刻M2关闭时此过程结束。

正半周期放电阶段,由图2b和图4可见,t1时刻,M2关断,电感Lin放电,电流线性减少。电容C01充电,电容C02给负载供能,DS2前向偏置,DF1和D1导通。到t2时刻M1开通时此过程结束。

负半周期充、放电阶段如图3所示。

2　单周期控制PFC基本原理

2.1基本原理

单周期控制技术是20世纪90年代初发展起来的一种非线性大信号PWM控制理论[4-5]。它通过控制开关的占空比,使每个开关周期中开关变量的平均值严格等于或正比于控制参考量[6-7]。

当开关S的开关周期TS恒定时,工作过程可用开关函数:

式中:Ton、Toff——开通、关断时间,Ton+Toff=TS。开关的占空比K=Ton/TS。

开关S的输入量x(t)与输出量y(t)的关系为

y(t)=k(t)x(t)。

设开关频率远大于x(t)的频率,则在一个开关周期内,x(t)可近似视为恒值,y(t)的平均值:

2.2Simulink仿真

单电感三电平升压 PFC工作过程计算:正半周期充电VL=Vin,放电VL=Vin-V0,根据一个开关周期内电感两端电压伏秒平衡(正负半周期对称,先算正半周)可得:

VL(t1-t0)+(Vin-V0)(t2-t1)=0,

(t1-t0)+(t2-t1)=ton,

d=ton/(TS/2),

Ton=2ton。

(1)

因此,Vin=V0(1-d),d为整个周期的占空比,负半周期同理。综上可得Vin=V0(1-d)所以,要通过单周期控制来实现单位功率因数,只需电感电流iL跟踪电压Vin即可,假设

Vin=ZReiL,

(2)

式中,ZRe为输入电压两端右边部分的等效电阻。将式(2)带入式(1)可得iL=(V0/ZRe)(1-K),可用电阻RS来检测电感电流,因此单位功率因数所需的控制方程为

RSiL=Vm(1-K),

整理得

Vm-iLRS=Umd，

式中,Vm=RSV0/Re。

单周期控器主要包括时钟发生器、触发器、复位积分器和比较器,其中复位积分器是单周期控制的核心。单周期控制PFC的Simulink控制原理如图5所示。

图5　单周期控制单电感三电平PFC原理

Fig. 5Operation diagram of one-cycle control single-inductor three-level bridgeless PFC

由图5可见,当时钟脉冲到来时,RS触发器置位,Q端置“1”,控制开关管导通,复位开关关断。在这个状态中,积分器开始工作,积分输出电压为VmTon/TS,比较器另一端的输入电压为Vin=Vm-iLRS。当t/TS=d时,比较器两端电压相等,输出状态改变,使RS触发器复位,Q端置“0”,控制开关管关断,复位开关导通,直到下一个时钟脉冲到来。

单电感三电平无桥升压 PFC电路交流输入电压220 V,输入电感70 μH,输出电压±400 V,输出功率P0为1 000 W,开关频率fS为100 kHz。变步长,最大步长为0.002,仿真时间0.1 s,仿真算法ode23tb(stiff/TR-BDF2)。

2.3仿真结果分析

图6　单电感三电平无桥升压PFC仿真结果

Fig. 6Simulation results of single-inductor three-level bridgeless PFC

3　结束语

在单周期控制下,单电感三电平无桥升压 PFC可以获得较高的功率因数,且该控制方法有效地抑制了输入电流的谐波。较传统的平均电流控制,这种控制系统具有结构简单、控制简单、开关应力小、功率因数高、体积小、成本低等特点。

[1]HUBER L, JANG Y, JOVANOVIC M. Performance evaluation of bridgeless PFC boost rectifiers[J]. IEEE Appl Power, 2007: 165-171.

[2]张厚生. 基于IR1150的无桥BOOST 高功率因数与整流器的研究[J]. 电气传动, 2007, 37(9): 32-35.

[3]SU B, ZHANG J, LU Z. Single inductor three-level boost bridgeless PFC rectifier with nature voltage clamp[C]. IEEE Int Power Electronics Conf, Sapporo Japan: IPEC, 2010: 2092-2097.

[4]KEYUEM, SEMDLEY, SLOBOAN CUK. One-cycle control of switching converters[J]. IEEE Trans on Power Electronics, 1995, 10(6): 625-633.

[5]武志贤, 蔡丽娟, 王素飞. 电力电子变换器的单周期控制方法探讨[J]. 电气传动, 2005, 35(10): 22-24.

[6]胡明星, 谢运祥. 单周期控制无桥Boost PFC电路分析和仿真[J]. 通信电源技术, 2005, 22(3): 14-17.

[7]王晶, 翁国庆, 张有兵. 电力系统MATLAB/Simulink仿真与应用[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2008.

(编辑李德根)

Single-inductor three-level bridgeless boost PFC with one-cycle

YANGQingjiang,JINGYanfeng,LIXiao

(College of Electric & Information Engineering, Heilongjiang Institute of Science & Technology, Harbin 150027, China)

Aimed at improving the power factor of inverter or uninterrupted power supply control system and inhibiting input current harmonic, this paper introduces the application of one-cycle control strategy to a novel single inductor three-level bridgeless boost power factor correction, the analysis of the principle of charging and discharging and one-cycle control strategy, and the development of the simulation mode of single inductor three-level bridgeless boost power factor correction controlled by one-cycle. The results show that one-cycle control can inhibit the input current harmonic, giving a total harmonic distortion rate of 0.1, and the input power factor of 0.995.

PFC; one-cycle control; single-inductor three-level bridgeless

1671-0118(2012)06-0604-04

2012-09-19

黑龙江省教育厅青年学术骨干支持计划项目(1154G18)

杨庆江(1969-),男,黑龙江省哈尔滨人,教授,研究方向:电力电子与电力传动,E-mail:yqj7962@163.com。

TM714

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