升压型双闭环控制有源功率因数校正电路设计

张艳杰

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471000）



升压型双闭环控制有源功率因数校正电路设计

张艳杰

（中国空空导弹研究院，河南 洛阳 471000）

本文在传统的功率因数校正控制电路研究基础上，提出了一种应用于中大功率有源功率因数校正电路双闭环控制方法。该方法采用电压环和电流环的双环控制，实现了对功率因数校正电路的控制。本文建立小信号模型以及仿真模对该控制方法的工作原理和工作方式进行分析和研究.最后搭建实际的电路对该控制方法进行了验证。

功率因数控制；平均电流控制；双环控制

随着电力电子技术的快速发展，越来越多的电力电子设备被广泛应用于军事、工业以及我们日常生活中。电力设备在给人们的生活带来极大的便利的同时，也带来了很多负面的问题。例如，输入电流中的谐波含量以及输入电流的畸变会对整个电网造成影响，降低电能的功率和效率。功率因数是反应电气质量好坏的一个重要指标。功率因数校正技术（Power Factor Correction，PFC）是一项目前非常热门的电力技术。相对于传统的无源功率因数校正电路来说，有源功率电路虽然成本和复杂程度比较高，但是它具有体积小、质量轻、功率因数高等优点，现在已经成为研究的热点。

文献［7］中讲述了单级功率因数校正的应用，通过将DC/DC端以及Boost电路的整合构成单极功率因数校正电路，使电路体积更小且开销也更小，符合未来的发展趋势。但是目前的研究主要还停留在小功率的电路中。文献［10］中通过电容和电阻构成了相位补偿网路，可以对电路中容性电容造成的电流超前相位补偿，使电压和电流的相位一致。这种方法大量应用于PFC集成芯片的技术中，在数控系统中还未进行深入研究。文献［12］中针对传统功率因数校正电路的开关管做了改观，利用软开关来替代传统的硬开关，在降低了整个电路的功耗的同时也提高了系统的工作效率。

本文对功率因数校正电路进行了深入的分析和研究，在传统的功率因数校正电路上提出了一种基于双闭环控制的平均电流型功率因数校正电路，并通过建立数学模型和仿真模型对所要研究的电路进行分析，最后通过实际电路对电路进行验证。

1 拓扑电路和控制方法选择

APFC电路的拓扑结构有很多种，包括 Boost变换器，Flyback变换器，Buck-boost变换器，Cuk变换器等，这些电路同DC/DC变换器是一样的［4-5］。在实际电路的设计中，只要能够选择适合变换器的导通比，就能实现从直流电压到直流电压的转换，并最终使输入电流跟随全波整流电流、输出稳定直流电压。

本文采用了连续电流导电控制模式（CCM）下平均电流控制模式，原理图如图1所示。平均电流控制模式主要包括了两个控制环：电流控制环以及电压控制环，其中电流控制环是通过调节升压变换器的占空比，调整输入电感的电流以保证其跟随输出电压而变化，并使输入电流波形趋于正弦波形；电压控制环通过外环的电压反馈，为了得到稳定可靠的输出电压［9-10］。图中Z是基准电压，X为输入整流电压，Y为输出电压误差放大信号，它们的关系为 Z=XY。其中加入 Ri的目的是为了对输入电流进行采样，通过采样电流对电流环进行控制调节，使输入电流呈正弦变化。经过乘法器后的基准电流其波形是整流后的半正弦波形，然后基准电流和电感电流采样被同时送入电流误差放大器CEA，将CEA的输出加到PWM比较器的同相输入端，将锯齿波信号发生器接入到比较器的反相输入端，最终通过PWM比较器产生SPWM波来控制主开关K的通断并决定开关管的占空比，使电感电流趋于平均电流。这样电流误差可以被快速且精确的被校正。比较高的电流环的增益宽带可以确保跟踪误差小以及瞬态特性好［10-11］。电压环的带宽应要尽可能的大且要和输入频率相近，这样会使输出电压的瞬时频率降低而减小电流失真程度。平均电流控制的电路具有以下优点：电流谐波含量小，EMI抑制噪声好，电感电流的峰值和平均值之间的误差小，可以用于比较大的功率电路中，平均电流控制是目前在PFC电路中应用最为广泛的一种控制方式［12-13］。

图1　平均电流控制原理图

从图2中可以看出，当电感电流增大的时候，通过降低PWM比较器的占空比，从而降低电感电流；反之则通过提高PWM比较器的占空比是电感电流升高。

图2　平均电流控制时电感电流波形

2 系统模型建立

为了更直接的对平均电流型控制的PFC电路进行分析和研究，本文对系统的主电路和控制电路建立的数学模型，并对其进行小信号模型分析，对非线性元器件线性化处理，有助于电路的实际设计，优化设计参数。

2.1主电路建模

图3是Boost主电路图。本文采用的平均电流控制方法的基本思想是通过控制电感电流iL以及输出电压Vo来实现对整个电路的控制。首先需要求出外环中的电压VC以及前馈电压Vin。所以可得

式中，d是指占空比。

图3　Boost主电路图

从主电路图中还能够得到输入输出电流电压的关系方程：

整合以上几式，最终可以得到 Boost电路的小信号模型

2.2控制电路建模

控制电路中的核心控制部件是乘法器，本文列出了对乘法器的交流小信号模型建立的过程。乘法器数学模型为

式中，M（）It是乘法器的输出信号，K为乘法器系数，in（）Ut为前馈电压经分压后的电压值，c（）Ut是电压误差放大器的输出，（）U t表示前馈电压有效值。

对乘法器作小信号扰动：

由式（8）和式（9）可以得到乘法器扰动小信号：

电压环的带宽要远远小于纹波频率才能使电路的功率因数尽可能的大，这里令

最终得到乘法器小信号模型

其等效电路如图4所示。

图4　乘法器/除法器等效电路

3 电路设计

本文设计为3kW大功率PFC电路，电路设计的具体参数输入电压为 220V，频率 50Hz，开关频率100kHz；通过PFC调制后输出电压为400V，输出电流可达到1A，功率因数理论上达到0.99以上，输入电流失真小于5%。下面就电路中几个重要的参数设计进行介绍。

1）升压电感

为了使纹波电压最小，在对升压电感计算的时候，取最小输入电压，则有

式中，L表示开关管的工作周期；TS表示开关管的开关频率；D表示开关管导通的占空比；ΔIL表示大纹波电流，允许最大波动范围为20%。

最终求得升压电感，即

本电路最终选升压电感的值为1.0mH。

2）采样电阻

电路中反馈电流通过采样电阻来获取，为了减小电流在电阻的损耗，一般设置采样电阻的上的电压URS=1.0V，此时电阻上的损耗可以忽略不计。

首先要确定电感电流的峰值最大值，当交流端输入值达到最低且负载满载的情况下，此时有：

采样电阻电流值

3）输出电容的选择

为了得到比较平滑且纹波系数很小，输出电压振幅比较小的直流输出，输入电容的选择尤其的重要，要从电路开关管的频率、纹波电流、输出纹波电压以及维持时间去考虑。通常选择耐压值较高、大容量、储能时间长且工作电压范围宽的电解电容。本文根据输出电容的输出电压纹波指标来计算其大小。

得

最终可得到C0为4084μF，试验中采取 6个680μF电容并联电路获得。

4 结果分析

4.1仿真结果分析

本文用 Matlab对电路做了仿真，交流输入为220V，峰值输入在198～242V，频率50Hz，开关频率20kHz，仿真实验图如以下三个图所示。图5显示了电路在输入220V电压的时候，PFC电路稳定输出400V，输出期间有10V左右的纹波电压；图6显示了电路经过PFC调制后，电压和电流的相位是处在同一相位上，在最初的时候含有二次谐波造成了比较大的波形扰动，但是当输出稳定的时候，电压和电流的波形正弦形态非常好，图中虚线波形为电流波形，实线波形为电压波形。

图5　输出电压波形

图6　经过PFC调制后的电压电流相位波形

4.2实验结果分析

本电路主要设计参数为输入电感L=1.0mH，采样电阻 RS=0.04Ω，输出电容为 4084μF，采用 6个680μF的电解电容并联组合，负载为5kW、30R电阻。电路输入电压范围为 198～242V，测试输出直流电压为398.6V，接近400V，功率表读数为0.99。实验波形如图7和图8所示。从图7中可以看出，输出电压和输出电流是一个比较稳定的直流波形，输出电压是 392V，其中存在 10V的纹波电压，是在允许范围内的；图8显示了电路经过PFC调制后输入电流和输入电压的波形，从图中可以看出两者的相位差为零，且正弦性非常好。

图7　输出电压实验图形

图8　输入电流和输入电压波实验图形

5 结论

本文对工作在连续电流导电控制模式下的平均电流型 Boost拓扑结构的有源功率因数校正电路进行了分析和研究，采用了内环电流反馈、外环电压反馈双闭环的控制方式，通过控制PWM的占空比调节双环来控制系统。文章建立数学模型和仿真模型，从理论上对双环控制APFC电路进行了研究，最后搭建了实际电路来验证双环控制APFC电路的科学性与正确性。实验表明，文章采用的方法可以使电路具有快速的响应速度，功率因数接近 0.99，输出电压平稳且纹波较小，输入电流的谐波有了一定的抑制。

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The Design of Boost-Type Double Closed-Loop Controlled Active Power Factor Correction Circuit

Zhang Yanjie
（China Airborne Missile Academy，Luoyang，He’nan 471000）

This paper presents a dual-loop control method which is applied to high-power active power factor correction circuit on the research of conventional power factor correction control circuit. The method adopt dual-loop control which is include voltage loop and current loop to achieve the control of the power factor correction circuit. This paper establish the small-signal model and simulation model to analysis and research working principle and mode of the control method.Finally，build the actual circuit to verify this control method.

power factor control； average current model； dual-loop control

张艳杰（1988-），男，硕士，研究方向为控制理论与控制工程、电磁场与电磁波。