双Boost—PFC稳压控制策略研究

马健

【摘要】提出一种基于非线性的调节方法，设计均压环，解决PFC输入电流谐波增大以及母线电压超调明显、震荡时间过长造成升压控制不稳定的问题。

【关键词】双Boost-PFC；稳压；均压环

1.PFC整流技术

有源功率因数校正APFC（Active Power Factor Correction）的基本电路由两大部分组成：主功率电路和控制电路，其基本思想是：将输入的交流电压进行全波桥式整流，对得到的整流直流电压进行DC-DC变换。通过相应的控制（PWM调制）使输入电流平均值自动跟随全波整流电压基准，呈正弦波形，且相位差为零，输入阻抗呈纯阻性，从而使功率因数趋近于1。

1.1 PFC工作原理

任何一种DC-DC开关变换器拓扑都可用作PFC的主功率电路。而升压式（Boost）变换器由于具有电感电流连续、储能电感也兼做滤波器可抑制RFI和EMI噪声、电流波形失真小、输出功率大及共源极、驱动电路简单等优点，应用于PFC更为广泛。现有的PFC电路一般都采用双环控制，内环为电流环，用来实现DC-DC变换器的输入电流与全波整流电压波形相同；外环为电压环，可保持输出电压稳定，从而使DC-DC变换器输出端成为一个直流电压源。经过校正的输入电流经PWM脉冲宽度调制，使原来呈脉冲状的波形，被调制成接近正弦（含有高频纹波）的波形。在一个开关周期内，当开关导通时，电感电流等于开关导通电流。当开关关断时，流过开关的电流为零。含有高频纹波的输入电流，经过低通滤波网络，取每个开关周期内的平均值，则可得到较光滑的近似正弦波。

1.2 平均电流控制

PFC系统增加了一个电流内环，输入电流的采样与电流给定信号（电压调节器的输出）比较，产生的误差信号做调节器（一般为PID）的输入，调节器的输出做为参考波，而用一个恒频锯齿波做为载波，两个信号送入比较器，比较器的输出控制驱动电路使开关管导通或关断。这种方法集中了峰值电流控制的恒频控制优点和滞环电流控制的精度优点，在保证极低的输入THD的同时，简化了输出滤波器的设计，且因为有电流控制器做调节，取的是平均电流，所以提高了系统在噪声干扰下的稳定度和精度。这种控制方式的优点是：恒频控制，工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、EMI滤波器体积小；能抑制开关噪声；输入电流波形失真小。主要缺点是：控制电路复杂，需用乘法器和除法器，需检测电感电流，需电流控制环路；参考电流与实际电流的误差随着占空比的变化而变化，可能引起低次电流谐波。

2.关键技术均压环的设计

均压环的设计，是为了保证输出正负直流母线电压平衡。其控制思路为：检测正负母线偏差量，并将其输出的调节量，叠加在电流环基准上，以此改变母线电压幅值，从而达到控制母线平衡的目的。

其中，为均压控制器输出，为达到“输入电流谐波≤5%”“输入功率因数≥0.99”的指标，必须保证低次谐波含量足够低。

在传统的控制方式中，均压控制器通常采用比例积分控制器形式，来满足母线平衡的控制需求，同时为了防止引入低次谐波，会采用较低的带宽，以平滑均压控制器的输出。这就相当于在调整速率和输入电流谐波两个指标之间进行平衡。这样的问题在单相交流输入系统中尤其凸显，均压环速度快，势必引起输入电流谐波的增大；而均压环速度慢，则导致母线电压超调明显、震荡时间长。在实际生产过程中，使用一种非线性的调节方法来解决该问题。其基本思路为：在正负母线电压偏差较小时，采用低带宽的控制器；而当正负母线电压偏差较大时，采用高带寬的控制器，以达到调整速度与输入电流谐波兼顾的目的。

通过以上函数设计，使用该控制器可将原有输出与误差的线性关系，转变为指数关系。即当误差足够小时，控制器的输出可近似为积分环节的输出，其低次谐波含量很小；而随着误差的增大，调节器的输出中，比例环节的作用呈现指数曲线增大趋势，即带宽呈指数曲线增大。

3.试验结果

3.1 仿真验证结果

假设KP=1；Ki=0.001，当误差为1～6之间时，可得到控制器的波特图如下。由图可知，误差增大过程中，带宽增益显著增大；而当误差小于1时，带宽显著降低，如图1所示。利用以上特性，可在控制器设计过程中找到一个误差临界点。在临界点以上使用高带宽的调节方式，确保系统快速稳定；在临界点以下，使用低带宽调节方式，使得输出量低次谐波含量更低。

3.2 参数验证结果

通过比较可以看出，改进型PI控制方式可以提高输入功率因数，减小输入电流谐波，同时电压无明显波动，起到了预期的电压控制效果，实现了稳压目的。

4.结论

本文提出了一种用于UPS的双Boost PFC稳压控制策略，改进了均压环电路设计，运用PI调节实施控制，实现了稳压目的。

参考文献

[1]王敏利，汤天浩，陈昆明，祝国平.基于导抗变换的DC/DC变换器的研究[J].变流技术与电力牵引，2008（02）.

[2]张晓东.基于PWM有源逆变器的内反馈串级调速系统的仿真研究[D]：华北电力大学（北京），2010.

[3]王宁斌.Boost变换器的控制与研究[学位论文].西安：西安理工大学，2008.

注：本文是河北省高等学校科学技术研究项目双BOOST-PFC及三电平逆变数字控制算法的优化研究（项目编号：QN20131174）的成果之一。