基于单周期控制的快速响应PFC变换器研究

黄 超，林维明，张 强

(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州350108)

基于单周期控制的快速响应PFC变换器研究

黄 超，林维明，张 强

(福州大学电气工程与自动化学院，福建 福州350108)

提出了一种基于负载电流前馈与单周期控制技术相结合的快速负载动态响应功率因数校正(PFC)变换器控制策略。负载电流信号与传统输出电压反馈信号相乘并作为单周期控制载波信号，保证了PFC变换器具有快速的负载瞬态响应。此外，论文设计了两种自适应输出电流纹波补偿方法，有效抵消了负载电流前馈引入的输出二次纹波，减少了稳态下输入电流畸变。最后，基于单相Boost PFC电路，通过仿真与实验验证了所提控制方法的优越性。

功率因数校正;单周期控制;负载动态响应;纹波补偿

1 引言

Boost电路拓扑因其输入电流连续，功率因数高，广泛用于单相PFC整流器中［1］。单周期控制技术用于功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)变换器可获得单位功率因数，无需采样输入电压，外围简单，成本低［2］，且具有良好的抗电网电压扰动能力。为保证低的输入电流畸变，通常将输出电压环带宽限制在10～20Hz，以保证进入控制环路的输出电压二次谐波得到足够衰减［3，4］。然而窄的电压环带宽使得变换器的负载动态响应受到了限制。

对于负载经常快速变化或大幅切换的应用场合，环路带宽不够会导致输出电压长时间大幅波动，不仅恶化系统的性能，增加电路功率器件应力，还可能危害负载。为解决 PFC变换器负载动态响应慢的问题，近年来许多研究人员积极开展改进负载动态响应的研究。第一种思路是增大输出电压环路带宽，采用凹口滤波器［5］或采样保持器［6］来滤除输出电压二次纹波，方法简单，但带宽只能低于二次纹波频率，无法胜任更快速的负载变化;文献［7］则提出了一种电压纹波补偿方法，该方法需要检测输入电压，且补偿网络构造复杂。第二种思路则是增加负载电流前馈［8，9］，文献［8］提出了负载电流与输出电压环路相加的控制策略，但并未进行前馈环引入的二次谐波问题分析。文献［9］采用负载电流前馈并通过锁相环电路实现纹波估计与补偿，比较适合于数字控制。

本文提出了一种基于单周期控制技术，采用负载电流前馈与输出电压反馈环相乘的改进控制方法。和传统的单周期控制 Boost PFC变换器相比，改进控制方法的输入输出功率平衡更容易实现。为了进一步降低输入电流畸变，提出了一种基于乘法器的自适应纹波补偿方法，分析了纹波补偿机理，并验证了该补偿电路的可行性。本文提出的改进控制策略，适用于对负载跳变具有快速响应且要求稳态下具有低输入电流谐波畸变的Boost PFC变换器。

2 单周期控制Boost PFC变换器工作原理

图1所示为采用单周期控制技术的单相 Boost PFC变换器。电路控制目标是迫使输入电流与输入电压成比例关系，在CCM模式下，PFC控制律可表达为:

其中，d(t)为占空比，d(t) =ton/Ts;Um为控制变量，Um=Vo(t)Rs/Re;Re为PFC变换器等效输入阻抗;Vo(t)为变换器输出电压;假定PFC电感值足够大，电感电流纹波很小，则电感电流峰值 iLpk(t)可近似等于电感平均电流，因此方程(1)可改写为:

图1 典型单周期控制的单相Boost PFC变换器Fig．1 Traditional implementation scheme of one-cycle control applied in single-phase PFC Boost converter

图1所示单周期控制电路的工作原理为:电压环输出信号Um通过一个可复位积分器在每个时钟触发时刻起开始积分，此时驱动为高电平，主电路开关管导通，电感电流上升，电流的PWM载波为 Um加上积分器输出信号，当电感电流信号等于载波值时驱动变为低电平，关断主电路开关管，同时复位积分器，直到下一时刻时钟信号到来。由图1可看出，电路的控制器满足如下方程:

其中，RC为积分时间常数。可以看出，当 RC等于开关周期Ts且 Um在一个电源周期中近似为常量时，控制器满足了方程(1)，实现了功率因数校正。

3 新型的单周期控制Boost PFC变换器

图2所示为改进的单周期控制Boost PFC变换器，增加了一个负载电流环，通过一个纹波补偿器后与传统电压PI环相乘，这样得到的Um既能够快速响应负载跳变，同时也保证了稳态下变换器具有较低的输入电流谐波畸变。在一个工频半周，假定输出功率不变，根据输入输出有功功率守恒，可得

其中，Po为工频半周内的输出功率;iL(t)rms和 Vin分别为工频半周内的电感电流有效值与输入电压有效值;η为PFC变换器效率;Vgm为输入电压幅值。结合式(2)和式(4)，PFC变换器的控制律可重新构建为:

采用上述控制律，若负载变化率低于两倍电网工频，则变换器可以在暂态下保证高的功率因数。当负载变化大于两倍工频时，系统根据瞬时功率守恒，依然能够很快响应负载变化，但是无法保证暂态具有高功率因数。

图2 改进的单周期控制单相Boost PFC变换器Fig．2 Proposed scheme of one-cycle control applied in single-phase PFC Boost converter

因此本文采用纹波补偿电路如图3所示，基于负载电流纹波抵消原理，根据输入输出功率守恒方程，可得到输出电压表达式为:

其中，R(t)为未知负载;VDC为输出电压直流分量。故输出负载电流可以写为:

式中，右边第一项为输出电流的直流分量，用 Io表示;第二项为输出纹波电流值，用ΔIo表示，则式(7)可改写为:

图3 两种输出控制闭环回路的电流纹波补偿方案Fig．3 Two schemes about ripple compensator

现具体分析这两种补偿器的性能，第一种方案如图3(a)所示，将输出电流检测信号直接连接到乘法器，其中 Kp为输出电压误差比例系数，Kc为负载电流采样系数，β为输出电压比例系数，取 Kp=1/ Uref，则期望输出可写为:

从式(10)可得到输出电压二次纹波被消除，仅含有很小含量的四次纹波和直流偏置。第二种纹波补偿电路如图3(b)所示，一个输出电流信号通过一个凹口滤波器，凹口频率设为两倍电网工作频率，使得输出到乘法器 M1的信号基本没有二次纹波，在稳态下，该值近似等于Io。因此，利用方程式(9)和式(10)，可估计出输出电压纹波。当控制电路满足:

则输出二次电流纹波将被消除，且不增加四次电流纹波，其中系数 Kp=1/Uref。然而，由于增加了凹口滤波器，使得补偿电路更加复杂，且无法消除四次电流谐波，当负载更快速变化时，将会引起估算误差，使输出电压纹波变大。为了折衷负载动态响应速度与输入THD要求，本文将输出环路带宽设为100～200Hz，保证了改进PFC变换器的性能。

4 仿真结果

本文使用 Pspice软件对传统单周期控制 PFC变换器和改进单周期控制 PFC变换器进行分析对照。为了电路简便性，本文选择第一种纹波补偿方法。单相Boost PFC变换器的仿真参数如表1所示。变换器从满载跳变到10%额定负载再跳变到满载。仿真结果如图4和图5所示。

表1 电路仿真参数Tab．1 Simulation parameters

对照图4和图5的仿真波形可以看出，传统单周期控制PFC变换器在负载从满载突变至轻载时具有较大的过冲，过冲电压约为20V，电压调节时间约为140ms;当负载从轻载切换到满载时，输出电压跌落了5%，电压调节时间约为68ms。对于改进控制的变换器在负载从满载突变至轻载时输出电压没有过冲，当负载从轻载突变至满载时，输出电压没有跌落。仿真表明，所提控制方案具有更快的负载动态响应。

图4 传统单周期控制的单相Boost PFC变换器仿真波形Fig．4 Simulation waveforms of traditional OCC

图5 改进的单周控制PFC变换器仿真波形Fig．5 Simulation waveforms of proposed OCC PFC converter

5 实验验证

本文利用国际整流器公司的单周期控制芯片IR1150S，基于 Boost PFC电路，对传统单周期控制变换器和改进控制变换器做了对比。实验采用第一种纹波补偿方法，参考电压Uref=7V，β=0．0875，Kc=1;前馈调节器的具体实现电路如图6所示。变换器的实验参数如表2所示。

图6 前馈调节器的具体实现电路Fig．6 Implementation of feedforward regulator

图7和图8分别为两种控制下变换器负载切换时的输出电压与输入电流波形。图7可以看出，当负载从满载切换到20%额定负载时，输出电压超调量约为12V，调节时间约为300ms;而负载从20%额定负载切换到满载时，输出电压跌落约14V，调节时间约为285ms。图8可以看出，当负载从满载切换到20%额定负载时，输出电压无超调;而负载从20%额定负载切换到满载时，输出电压超调约为2.5V，调节时间约为50ms。

表2 电路实验参数Tab．2 Experimental parameters

图7 传统单周期控制PFC变换器的实验波形Fig．7 Experimental waveforms of traditional OCC converter

6 结论

本文提出了一种基于单周期控制的快速响应单相Boost PFC变换器。通过增加一个负载电流前馈信号并和传统输出电压环路并联，提高了系统的负载动态响应，同时保证了系统的稳态特性。此外，本文设计并分析了两种自适应纹波补偿方法，在输出电压环路为100～200Hz的场合，两种纹波补偿方法都能够很好地消除控制电路的输出二次纹波，降低输入电流畸变。仿真和实验表明，本文提出的控制方法改善了 PFC变换器的负载动态响应且保证了较低的输入电流谐波畸变。

图8 改进控制PFC变换器的实验波形Fig．8 Experimental waveforms of proposed OCC converter

［1］Huber L，Jang Y，Jovanovic'M．Performance evaluation of bridgeless PFC boost rectifiers［J］．IEEE Trans．on Power Electronics，2008，23(3):1381-1390．

［2］Smedley K M，Cuk S．One-cycle control of switching converters［A］．Proc．of Power Electronics Specialists Conference［C］．Massachusetts，USA，1991.1173-1180．

［3］Zhou C，Jovanovic M．Design trade-offs in continuous current-mode controlled boost power factor correction circuits［A］．Proc．of High Frequency Power Conversion Conference［C］．San Diego，CA，USA，1992.209-220．

［4］Fernandez A，Sebastian J，Villegas P，et al．Dynamic limits of a power factor preregulator［A］．Proc．of IEEE PESC［C］．Acapulco，Mexico，2003.1697-1702．

［5］Williams J B．Design of feedback loop in unity power factor AC to DC converter［A］．Proc．of IEEE PESC［C］．Milwaukee，USA，1989.959-967．

［6］Rajagopalan J，Cho J G，Cho B H，et al．High performance control of single-phase power factor correction circuits using a discrete time domain control method［A］．Proc．of IEEE APEC［C］．Dallas，USA，1995.647-653．

［7］Eissa M O，Leeb S B，Verghese G C，et al．A fast analog controller for a unity-power factor AC/DC converter［A］．Proc．of IEEE APEC［C］．Orlando，USA，1994.551-555．

［8］Figueres E，Benavent J M，Garcerá G，et al．A control circuit with load current injection for single-phase powerfactor correction recti ers［J］．IEEE Trans．on Industrial Electronics，2007，54(3):1272-1281．

［9］Wall S，Jackson R．Fast controller design for practical power-factor correction systems［A］．Proc．of IEEE IECON［C］．Hawaii，USA，1993.1027-1032．

Research on one-cycle control of power factor correction converter with fast dynamic response

HUANG Chao，LIN Wei-ming，ZHANG Qiang
(College of Electrical Engineering＆Automation，Fuzhou University，Fuzhou 350108，China)

A novel strategy of One-Cycle Control(OCC)technique combining with load current feedforward control for power factor correction(PFC)converter with fast load dynamic response is proposed in this paper．A load feedforward control loop parallel with the output voltage feedback control loop is added by a multiply unit．The feedforward signal is multiplied with the output voltage feedback signal and the output signal becomes the carrier wave of OCC modulator，which significantly improves the dynamic response of the converter due to load variation．Besides，two compensation methods of adaptive output current ripple are designed to offset the second line harmonic of output current signal，which reduce the distortion of the PFC converter input current in steady state．At the end，based on single-phase Boost PFC converter，the simulations and experimental results verified the feasibility and superiority of the proposed control approach．

PFC;one-cycle control;load dynamic response;ripple compensation

TM461

:A

:1003-3076(2014)01-0042-05

2012-05-20

福建省自然科学基金资助项目(2011J01294)

黄 超 (1985-)，男，福建籍，博士研究生，主要研究方向为电力电子与电力传动;林维明 (1964-)，男，福建籍，教授/博导，博士，主要研究方向为电力电子技术。