三电平BOOST电路在功率因数调节(PFC)方面的应用

孙洲同，赵贺雍，陈百新

(1.东北电力大学，吉林 吉林 132012;2.兴安供电公司，内蒙古 乌兰浩特 137400)

目前，电动汽车、新能源、蓄电池储能系统中直流电源、负荷会产生大量的谐波［1－2］，对电网造成了严重的谐波污染。而当今，解决谐波污染问题的技术方法很多，文献［3－5］提出了三电平功率因数校正电路，但是在应用时存在场合器件的开关损耗和通态损耗过大、高电压等级器件选择困难、PFC变换器滤波器尺寸过大而成本过高等问题。研究具有低输入电感电流纹波的PFC变换器具有主要意义［6－9］。因此，本文提出了高电压等级PFC应用的三电平级联式BOOST电路，对基于三电平结构、PFC功能的AC－DC变换器的实现进行了论证和相关公式推导，并对其进行仿真验证，解决了电感电流波纹过大的问题，拓展了交流输入电压等级，实现了三电平结构PFC应用。

1 三电平boost拓扑结构

级联型多电平BOOST电路适合高电压等级的应用，通过PWM载波移相调制技术和高频开关管，能够在高压下提高电能质量，多电平稳定输出，减小变换器体积。

级联型多电平BOOST电路由基本的PCELL、N－CELL公共端串联构成，如图1所示。

电路可以接入更高等级的输入电压，并在负载平衡时输出两个相同的输出电压。三电平结构工作状态有4种:S1、S2都关断，S1、S2中的一个导通，另一个关断和S1、S2均导通。

决定电容C1、C2充放电过程的分别是主动开关管S1、S2。当S1断开时，电容C1充电;当S1闭合时，电容C1放电;S2和C2也有相同的关系。设两输出电压分别为Uo1和Uo2，两输出电流为Io1和Io2，输入电压和电流分别为Uin和Iin，两个主动开关管占空比均为d，在三电平结构达到稳态时，针对电容充放电过程有以下公式:

图1 三电平模块拓扑结构Fig.1 Three level module topology

式中:Iox为Io1、Io2中的任意一个。在两输出功率相等时，两个开关的占空比能够实现对电压的控制，且两占空比相等。

另一方面，为了减小电感波纹，需要采用载波移相调制技术［9］。应用PWM技术生成两个主动开关管触发信号时，将两个载波移相，使二者相角相差180°，在一个开关周期中平均分配电感两次充放电，能够提高电感电流频率，减小电感电流波纹。

电容波纹频率，即为开关频率，在占空比不等于0.5的情况下，电感波纹频率为开关频率的2倍;在占空比等于0.5的情况下，电感波纹由于载波移相调制方式，因此降低到可以忽略的程度。电容电压波纹和电感电流波纹计算公式如下:

对式(4)和式(6)求导，二者的极大值点分别在d=0.25和d=0.75处取得。在设计三电平结构中的电感时，应考虑d在0.25或0.75处的电感波纹，使其满足电能质量要求。

2 基于三电平结构的PFC整流器［6－9］

三电平结构能够完成PFC功能的整流器，在交流侧呈现纯电阻负载特性，其等效模型如图2所示。

图2 PFC变换器等效模型Fig.2 Equivalent model of PFC converter

图2中Re所消耗的功率是交流侧消耗的纯有功功率，从交流侧传递到直流侧，而不是电阻器件消耗的热损耗。

基于三电平的PFC整流器由不控整流电路后接三电平结构构成的，其原理为不控整流输出波形，经过三电平整体升压，输出稳定直流电压，在三电平结构两输出端负载平衡时将这一直流电压平分给两个输出口。通过电压外环和电流内环的整体控制，输出调制比d，完成PFC整流功能。其拓扑结构如图3所示。交流侧电压UAC、电流IAC波形、不控整流输出电压|UAC|波形、直流侧电压U及相应调制比d变化曲线如图4所示。

图3 三电平boost电路的PFC应用拓扑结构Fig.3 PFC topological structure of three level boost circuit

各电气量之间关系及公式为

式中:UM为交流侧电压UAC峰值;Uo1、Uo2为直流侧两输出端口电压;IAC为交流侧电流;I(t)为直流侧电流瞬时值。

直流侧电流含二倍频分量，直流侧两电容可起到对此二倍频分量进行滤除的作用，使得直流侧电流近似为

图4 理想PFC整流电路中各电气量波形图Fig.4 Electric quantity ideal waveform in PFC rectifier circuit

三电平PFC整流电路控制系统原理如图5所示。

图5 PFC整流变换器控制框图Fig.5 PFC rectifier converter control block diagram

电压外环通过比例积分环节，以控制输出直流电压等级为目的给出电流幅值参考量im。幅值参考量im与波形信息相乘得到iref。iref作为电流内环的参考量，通过另一比例积分环节使得电路完成纯有功变换功能，得到控制环节对Re调节的公式:

三电平电路控制实现PFC整流功能，在本质上对交流侧功率进行控制，控制交流侧向直流侧进行能量输送的过程。其核心就是通过电压外环得到预想直流电压，在此基础上控制功率流动，确定电流内环中电流参考量的幅值。电流幅值参考量综合了交流电压波形及控制电路信息，具备了PFC变换器功能。

3 电路的仿真验证

电路的仿真验证为基于三电平结构的PFC整流器所采用的控制策略在载波移相调制下进行的。仿真环境为PSIM软件，为了有效突出文中所述现象，对各原件进行了选值:电感值为0.8 mH，电容为5 mF，输入电压峰值为400 V，两输出端口电压均为200 V，功率等级4 kW。在仿真结果中能清晰看到上文所述电气现象。

电感电流及调制比d仿真波形图如图6所示。

图6 电感电流及调制比d仿真波形图Fig.6 Inductor current and the modulation ratio d simulation waveform

在图6中，由上到下分别为电感电流波形和调制比d变化波形，其电感波纹随调制比d变化呈现了式(4)—式(6)所推导的电感波纹变化。在占空比为0、0.5、1.0时明显能看到电感波纹减小到可忽略的程度。不控整流输出侧电压电流波形图如图7所示。

图7 不控整流输出侧电压电流波形图Fig.7 Uncontrolled rectifier output voltage and current waveforms

在图7中，幅值较大的为不控整流输出电压波形，幅值较小的是电流波形，电压、电流同相位，完成了功率因数校正(PFC)功能。三电平结构输入输出电压及调制比波形图如图8所示。

在图8中，上图为两端口输出直流电压之和与不控整流输出侧电压的波形，下图为调制比d的波形。仿真结果证明了公式(8)推导的正确性。

图8 三电平结构输入输出电压及调制比波形图Fig.8 Input and output voltage and modulation ratio waveform of three level structure

在图8中，上图为两端口输出直流电压之和与不控整流输出侧电压的波形，下图为调制比d的波形。其仿真结果证明了式(8)推导的正确性。

4 结论

1)载波移相调制技术和平均电流控制方法法适合三电平结构的特点。

2)三电平结构在载波移相调制法下电感波纹等效频率加倍，电流波纹幅值减小到原来的1/2。

3)基于三电平Boost的PFC变换器电流环灵敏度高，易于控制，能有效实现PFC变换。

［1］ 徐明宇，穆兴华，张惠.电动汽车充电对电网谐波影响分析［J］.黑龙江电力，2012(1):41－43.XU Mingyu，MU Xinghua，ZHANG Hui.Analysis of the influence of electric vehicle charging station on grid harmonics［J］.Heilongjiang Electric Power，2012(1):41 －43.

［2］ 李昂，罗珊.储能装置在风光联合发电系统中的应用［J］.黑龙江电力，2012(1):148－151.LI Ang，LUO Shan.Application of energy storage device in wind－pv－es hybrid power system［J］.Heilongjiang Electric Power，2012(1):148－151.

［3］ 王慧贞，张军达.一种新型无桥Boost PFC电路［J］.电工技术学报，2010(5):109－115.WANG Huizhen，ZHANG Junda.A bridgeless boost PFC converter［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2010(5):109－115.

［4］ 郑昕昕，肖岚，王勤.基于航空交流电网的Boost/半桥组合式软开关谐振PFC变换器［J］.中国电机工程学报，2011(9):50－57.ZHENG Xinxin，XIAO Lan，WANG Qin.Boost/half－ bridge combined soft－switching resonant PFC converter for airborne ac system［J］.Proceedings of the CSEE，2011(9):50－57.

［5］ 李冬.基于Boost变换器的宽输入电压范围功率因数校正技术的研究［D］.南京:南京航空航天大学，2006.LI Dong.Research on power factor correction for wide input voltage based on Boost converter［D］.Nanjing:Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，2006.

［6］ 邓卫华，张波.一种全新的临界工作模式下的单级功率因数校正电路工作特性研究［J］.中国电机工程学报，2003，23(7):36－40.DENG Weihua，ZHANG Bo.Research on a novel boundary conduction mode of single － stage PFC circuit［J］.Proceedings of the CSEE，2003，23(7):36 －40.

［7］ KOLAR J W，ERTL H，ZACH F C.Space vector－based analytical analysis of the input current distortion of a three－phase discontinuous－mode Boost rectifier system ［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，1995，10(6):733 －745.

［8］ CHOU E，CHEN F，ADRAGNA C，et al.Ripple steering AC － DC converters to minimize input filter［C］//Proceedings of the Energy Conversion Congress and Exposition.California:IEEE，2009:1325－1330.

［9］ GARINTO D.A new zero－ripple boost converter with separate inductors for power factor correction［C］//IEEE Power Electronics Specialists Conference.Florida:IEEE，2007:1309 －1313.