无桥PFC新型控制算法

王 畅，王 聪，王克峰，程 红，杨 亮

(1．中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院，北京100083;2．中国电力科学研究院，北京100192)

无桥PFC新型控制算法

王 畅1，王 聪1，王克峰1，程 红1，杨 亮2

(1．中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院，北京100083;2．中国电力科学研究院，北京100192)

针对无桥功率因数校正(PFC)电路在传统控制算法下，由于升压电感位于电网交流侧而存在输入电流过零点畸变问题，提出了一种新的高功率因数控制策略。在新控制策略下，避免了无桥PFC电路在输入电压过零点处输入电流畸变，同时使输入端达到很高的功率因数。论文详细分析了传统控制算法下无桥PFC输入电流过零点畸变的原因，推导了输入电流畸变的时间范围，讨论了影响输入电流THD的相关因素，然后比较了两种控制策略下电源的PF值和输入电流THD，最后通过仿真和实验验证了新型控制策略在抑制电流谐波畸变率方面的正确性和优越性。

无桥PFC;控制算法;THD

1 引言

随着电力电子装置的大量使用，电网中的谐波和无功功率污染问题日益严重，不仅降低了电能质量，还威胁着电力系统的稳定和安全运行，严重时会损坏设备，甚至造成电力系统事故［1，2］。功率因数校正技术可以减少网侧电流谐波含量，提高电源的功率因数，是电网供用电设备中不可或缺的组成部分［3，4］。其中Boost变换器因其拓扑结构简单、变换效率高、控制策略容易等优点，被广泛用作电源功率因数校正电路［5，6］。传统Boost功率因数校正电路由于整流桥的存在而无法进一步提高整机的效率，特别在低压大电流的场合，存在开关器件发热严重、电感体积急剧增加、变换器效率和功率密度严重下降等问题［7，8］。无桥Boost变换器取消了输入的整流桥，减少了电流导通路径中半导体的数量，有效地减少了开关损耗，提高了系统的效率，同时由于结构简单、驱动方便而成为了近几年的研究热点［9，10］。但是在传统控制策略下，由于无桥PFC升压电感位于交流网侧和二极管单向导通带来的电流方向不可控性，使其输入电流在输入交流电压过零点附近产生不可避免的畸变，特别在低压大电流的情况下畸变程度加重。本文提出一种新的无桥PFC电源控制策略，一方面消除了传统控制策略下电流过零点畸变问题，另一方面保证了较高的电源功率因数。

2 煤矿井下无桥PFC电路分析

2.1 PFC电路分析

图1为无桥PFC变换器主电路。为了分析方便做如下假设:①所有器件均为理想元件;②功率开关器件的开关频率远高于输入电压的频率，一个开关周期内二极管整流电路直流侧电压近似不变;③输出电容足够大，直流输出电压近似不变。

图1 无桥PFC电路拓扑图Fig．1 Bridgeless PFC topology

图2为无桥PFC变换器电路的等效电路图。电路工作过程中，两个开关管(S1，S2)有4种可能的工作状态，即:(1，1)，(0，1)，(1，0)，(0，0)，其中“1”表示导通，“0”表示截止。

图2 无桥PFC电路等效电路图Fig．2 Equivalent circuit of bridgeless PFC

(1)在输入交流电压和电流正半周

1)模态一(S1，S2)=(1，1)或(1，0)

开关管S1导通，S2导通或关断。电路电流流经电感L、开关管S1和开关管S2回到电源负极。无桥PFC整流桥交流侧等效电压ucon等于0。

2)模态二(S1，S2)=(0，1)或(0，0)

开关管S1关断，S2导通或关断。电路电流流经二极管D1对电容C和电阻R供电;然后经过开关管S2、电感L直接回到电源负极。无桥PFC整流桥交流侧等效电压ucon等于1pu。

(2)在输入交流电压和电流负半周

1)模态三(S1，S2)=(1，1)或(0，1)

开关管S1导通或关断，S2导通。电路电流流经开关管S2、开关管S1、电感L回到电源正极。无桥PFC整流桥交流侧等效电压ucon等于0。

2)模态四(S1，S2)=(0，0)或(1，0)

开关管S1导通或关断，S2关断。电路电流经过二极管D2对电容C和电阻R供电，然后经过开关管S1、电感L直接回到电源正极。无桥PFC整流桥交流侧等效电压ucon等于－1pu。

2.2 PFC电流分析

图3为无桥PFC满足单位功率因数整流时图1所示电路对应的相量图。由图3可知，无桥PFC单位功率因数运行时，电感电流与电源电压同相位，无桥H桥输入端交流电压必须滞后于电感电流。按照此相位关系可知，在输入交流电压过零点到无桥H桥输入端电压过零点的一定时间段，电感电流和各级联二极管H桥输入端交流电压方向相反。但由于二极管的不可控性，这种工作状态不存在。例如当输入交流电压为正、电感电流为正方向时，无桥整流桥交流侧两端电压只能为正电平或者零电平，而无法输出负电平。因此在此区间内无桥H桥交流侧两端电压只能输出零电平，即无桥电路开关管导通。

图3 传统控制算法下无桥PFC相量图Fig．3 Conventional phase diagram of PFC topology

当无桥H桥交流侧电压等于零时，电感电流相位和电源电压相位不再相同，而是滞后电源电压90°。由于电感电流不能突变，电感电流缓慢上升，其波形如图4所示。因此输入单位功率因数条件下，电感电流在输入交流电压过零点后，输入电流波形不可避免地产生畸变。为了计算方便，令输入电压，则电感电流表达式为:

图4 传统控制算法下无桥PFC波形图Fig．4 Waveforms under traditional algorithm

由以上分析可知，无桥结构在本质上无法达到单位功率因数。若强迫使电感电流与输入电压同相位，电感电流在输入交流电压过零点处必然会产生较大的畸变。

根据控制策略相量图可得电感电流:

根据系统功率平衡可得:

整理式(3)可得:

将式(4)代入式(2)，整理后即可得到电感电流在输入交流电压过零点后发生畸变的角度表达式:

整理式(5)得到电感电流发生畸变的时间t0表达式:

结合式(1)、式(4)、式(6)和图4得到工频周期内电感电流表达式:

3 无桥PFC新型控制算法

为了解决无桥结构满足单位功率因数的过程中电感电流畸变的问题，提出一种新的控制策略，即在负载变化过程中始终保持电感电流IL与无桥整流器交流侧电压Ucon同相位，其相量图如图5所示。按此相量图进行控制，在交流侧电压过零点附近，输入电流波形不会发生畸变。但是电感电流会滞后电源电压Us一个角度φ。随着负载的增加，滞后的角度φ也会增大。其电压电流波形如图6所示。

图5 新型控制算法下无桥PFC相量图Fig．5 New phase diagram of PFC topology

图6 新型控制算法下PFC波形图Fig．6 Waveforms under new algorithm

根据新的控制策略相量图可得电感电流:

根据系统功率平衡可得:

整理式(9)可得:

将式(10)代入式(8)，整理后即可得到电感电流相位滞后于输入电压相位的角度的表达式:

由式(11)可知，滞后角度与升压电感值、直流升压比及负载电导成正比。在实际应用中，电感一般不变，而负载与输入电压均是波动的，所以需要实时测量来满足控制的需求。

4 无桥PFC控制算法对比

4.1 控制算法对比

传统PFC变换器中，控制器能够随着负载的变化调整输入电流的相位，使其相位始终与整流器输入电压相位保持相同。同时通过对开关器件的导通占空比的调节，使其输出直流电压相等且等于给定值。其控制结构简图如图7所示。

图7 传统控制算法结构图Fig．7 Traditional control algorithm

根据传统PFC电路控制策略，输入电流跟随输入电压的变化而变化，在调节过程中，势必在电压过零点后电感电流产生一定程度的畸变。

针对PFC变换器提出一种基于电压反馈的直流电压和电源高功率因数的控制方案。控制框图如图8所示。

图8 新控制算法结构图Fig．8 New control algorithm

各级联单元调制比配置方法如下:输出实际电压与给定电压相比较，经过电压PI调节器，再乘以移相后的输入电压us，将得到的电流瞬时给定值与实际电流值相比较，经过电流PI调节器，就得到调节输出电压总和的占空比d。其中电源电压的移相角度，即滞后角度由式(11)计算得出。

4.2 功率因数、谐波对比

传统控制算法下，输入电流的相位与输入交流电压相位相同。对输入电流表达式(7)进行分别求解其视在功率和有功功率:

由式(6)、式(12)～式(15)以及谐波计算表达式和功率计算式可得输入电流畸变率和输入端功率因数，传统控制算法下输入电流畸变率随负载变化趋势如图9所示。由式(11)～式(14)可得传统算法及新型控制算法下电源输入功率因数变化趋势图，如图10所示。图中实线为传统算法PF值，分离点为新型算法PF值。

图9 传统控制算法电流畸变率变化曲线Fig．9 THD curves of traditional control algorithm

由图9可知，传统控制算法下，输入电流畸变率随负载的加重和输入电感的增加而加大，而新型控制算法下，输入电流畸变率几乎等于零。由图10可知，传统控制算法和新型控制算法下，无桥PFC电路的输入功率因数随着负载的加重和输入电感的增加而增大;同时相同输入电感和负载的情况下，新型控制算法的输入功率因数大于传统控制算法下输入功率因数。

由此可知，新型控制算法提高了输入功率因数，同时大大降低了输入电流的畸变率。

图10 传统控制算法及新型控制算法PF变化曲线Fig．10 PF curves of new control algorithm and traditional control algorithm

5 仿真与实验结果

应用Matlab仿真软件，对无桥PFC整流电路拓扑进行了仿真分析，验证新控制策略的可行性，同时对传统控制策略和新控制策略进行对比，仿真电路参数见表1。

表1 级联二极管桥整流拓扑变换器仿真参数Tab．1 Parameters of AC-DC converter

在传统的采用无滞后角的控制策略下，电感电流相位与输入交流电压相位相同，但其波形在输入交流电压过零点后产生畸变，如图11所示。采用增加滞后角的控制策略后，电感电流相位滞后于输入交流电压相位，但其波形接近于正弦波，如图12所示。通过文中所给的电压控制策略，电容直流电压与给定值相等，如图13所示。仿真验证了新型拓扑的可行性和控制策略的正确性。

为了进一步验证控制算法的正确性以及仿真结果的有效性，建立了无桥PFC实验平台。实验样机以TMS320F2812DSP为核心芯片构成控制器。实验相关参数为:交流电源电压220V，输出直流电容2200μF，模块负载15Ω，开关频率10kHz。电感值L=0.5mH。

图14为采用传统控制策略时，实验样机在输出直流电压220V情况下，输入交流电压和电感电流波形图。由图可知，输入交流电压和输入电流的相位相同，但在输入交流电压过零点后发生一定程度的畸变。

图15为采用增加滞后角控制策略后的输入交流电压和电感电流波形图。由图可知，电感电流波形接近正弦波，电感电流相位滞后于输入交流电压相位。图中阴影部分得出电感电流波形在输入交流电压过零点后无畸变。经数字测量仪得出其功率因数等于0.985，电流畸变率THD=2%。

图11 传统控制算法输入电压和电流仿真波形Fig．11 Input voltage and current waveforms under traditional control algorithm

图12 新控制算法输入电压和电流仿真波形Fig．12 Input voltage and current simulation waveforms under new control algorithm

图13 新控制算法输出电容直流电压仿真波形Fig．13 Output voltage simulation waveform

图14 传统控制算法输入电压和输入电流波形Fig．14 Input voltage and current waveforms

图15 新控制算法输入电压和输入电流波形Fig．15 Input voltage and current waveforms

6 结论

针对无桥PFC整流电路在传统控制算法下在交流电压过零点附近输入电流畸变的问题，提出了新型控制算法，即在传统控制策略中加入电流滞后控制环节，使电感电流滞后于电源电压，从而解决电感电流过零点畸变的问题，同时系统还具有较高的功率因数。新型控制策略使得无桥PFC整流电路在要求低谐波畸变率、高功率因数的场合更加具有实际的应用价值和前景。

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New control algorithm of bridgeless PFC

WANG Chang1，WANG Cong1，WANG Ke-feng1，CHENG Hong1，YANG Liang2
(1．School of Mechanical Electronic＆Information Engineering，China University of Mining and Technology(Beijing)，Beijing 100083，China;2．China Electric Power Research Institute，Beijing 100192，China)

A new high power factor control strategy is discussed with the aim of avoiding the distortion problem of input current of bridgeless PFC when the input voltage is crossing zero line due to the boost inductor on the AC side of the grid．Under the new control strategy input current distortion is avoided and high power factor is achieved．The reasons of the distortion are discussed．The input current THD and PF expressions are derived．The performance of the novel control strategy is investigated through experiment and simulation．

bridgeless PFC;control algorithm;THD

TM46

:A

:1003-3076(2015)11-0018-06

2015-01-08

国家自然科学基金资助项目(51077125)

王 畅(1985-)，男，河南籍，博士研究生，研究方向为电力电子与电力传动;

王 聪(1955-)，男，北京籍，教授，博士，研究方向为软开关电力电子变换技术。