基于Matlab Simulink的无桥PFC变换器的仿真

2014-05-11王君艳

通信电源技术 2014年2期

石诚，王君艳

（上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海200240）

0 引言

目前，开关电源应用广泛，造成了日益严重的谐波污染。功率因数校正技术的出现，很好地解决了开关电源对电网的谐波污染。但是功率因数校正电路造成了一定的损耗，特别是功率越大，损耗越大，这部分损耗也需要给予足够的重视。在电源拓扑没有实质性改变的情况下，为了提高开关电源的效率，着手于减少PFC部分的损耗。近年来，很多科研机构和电源企业提出了无桥PFC结构，并付诸于工业的电源设计，取得了节能环保的效果和经济效益。本文运用Matlab simulink对CCM模式无桥PFC进行仿真研究，对于实现无桥PFC的数字化控制，具有指导和验证意义。

1 CCM模式的无桥PFC电路原理分析

图1为本文仿真用的无桥PFC电路拓扑。该拓扑可以实现无桥PFC，相对常规的无桥PFC电路拓扑来说增加了2个二级管，增加了设计成本。但是它相对于传统拓扑的优势在于避免电流流过MOS的体二级管，减少MOS和PFC电感的损耗，同时可以减少EMI共模干扰，提高电源效率，增加可靠性。

CCM模式无桥PFC的控制系统与传统的有桥CCM PFC和CCM交错PFC基本相同，包括电压控制外环和电流控制内环组成双闭环，电压环和电流环均采用PI控制。电流环采用滞环跟踪网侧电流。电压环跟踪输出的直流电压，控制BOOST PFC，输出电压稳定。

图1 无桥PFC电路拓扑

2 PI控制器的设计

本文以实现2 000 W无桥PFC转换器为例，主要设计参考CCM方法，来验证无桥PFC控制回路的设计方法。主要设计技术指标及参数如下：

输入电压：85～265 VAC；输入频率：f＝50～60 Hz；输出电压：Uo＝400 VDC；输出功率：2 000 W；效率：η≥95%；开关频率：fs＝100 kHz；保持时间：thold＝20 ms；升压电感：L＝500μH；输出电容：Co＝1 880 μF。

2.1 电流环PI控制器的设计

（1）电流环路

为了设计PI控制器，首先需要建立Boost PFC电流环的传递函数模型。对于Boost PFC电路，由于开关器件的开关频率远大于电网的工作频率，所以在功率开关的周期内电网电压是恒定的，电流也是恒定的。由伏秒平衡的原则得：

对于电网电压来说电网的瞬时电压

则

对于电感中的电流有：

对于给定输入电压，给定功率的电路，设电源的效率为η，则有：

所以交流输入电流：

对式（8）进行拉氏变换后可得：

对式（8）求导可得：

由式（6）可得：

对上式进行拉氏变换有：

得到电流环功率级传递函数如下：

（2）电流PI控制器设计

电流环结构控制框图如图2所示。

图2 电流PI控制器

其中PI控制器传递函数为：

PWM控制器传递函数为：

式中，Um为电流峰值对应转换的电压信号。

电流环开环传递函数为：

下面对具体的PI控制器进行设计：

由上式计算出电流环PI控制器的各个控制参数，得出最终的PI控制器为：

2.2 电压环PI设计

电压环功率级数学模型（如图3）的设计如下：

PFC功率因数校正的目的是让输入电流完全跟踪输入电压波形，且与输入电压成比例关系。

则在单个桥臂半周期工作时间内考虑的电感电流

电源效率设计为η，

对PFC电路输出侧有

假设PFC电源为恒功率输出，因此有Po为常数。按照小信号进行分析的方法有：

电压PI控制器传递函数为：

图3 电压PI控制器

电压环开环传递函数为：

为了抑制输出电压上的100～120 Hz的工频电压纹波，取电压环的开环截止频率为fcv＝10 Hz，相位裕度为45°。则有

最终构建的Matlab Simulink仿真电路如图4。

3 仿真试验及结论

Uin＝85 Vac 50 Hz时的输入电压、电流以及输出电压波形如图5所示。图6为稳定后的输入输出电压电流波形。图7为Q1，Q2的电压波形与输入电流波形的对比。图8为Q1，Q2的电流波形与输入电流波形的对比。对仿真结果进行FFT分析的结果如图9所示，从仿真结果来看电流与电压的相位基本相同，功率因数基本为1。同时THD只有1.92%远小于5%，实现了良好的功率因数校正和谐波治理。