基于单周期控制的Boost型APFC电路设计及仿真

韩晓钢 齐铂金

（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191）

基于单周期控制的Boost型APFC电路设计及仿真

韩晓钢 齐铂金

（北京航空航天大学机械工程及自动化学院，北京 100191）

单周期控制策略是一种新型的非线性控制策略，相对于传统的控制策略具有响应速度快、电路实现简单、抗干扰能力强等特点，现已被广泛应用到电力技术中。本文采用单周期控制理论，设计了基于Boost拓扑的有源功率因数校正（APFC）电路，分析了单周期控制原理、主电路元器件的参数计算与设计，并通过建模仿真与实际实验对比的方法进行验证，结果证明了电路能够有效改善输入电流谐波问题，提高功率因数，并实现输出电压的稳定控制。

单周期控制；功率因数校正；Boost拓扑；Simulink建模

开关电源以其独特的优势已经在电力系统、工业系统及交通运输领域中被广泛使用，这其中交流输入的电力电子装置占据了重要地位。目前，大多数装置的整流环节主要是通过不可控整流电路与电容滤波型电路，但是由于整流二极管的非线性与滤波电容的储能作用，会导致输入电流产生尖峰，造成功率因数低及谐波污染，影响电网的供电质量及导致电能的利用率低等问题[1]，因此，必须通过有源功率校正技术（active power factor correction，APFC）提高装置的功率因数，降低谐波畸变率，而应用最广的就是Boost型APFC电路。

相对于Buck、Cuk等拓扑结构，Boost型APFC变换器具有输入电流的高频纹波小、在整个输入电压范围内都能保持高功率因数和输出电压高等优点[1-2]，但其控制电路相对复杂。目前常用的控制方法有平均电流控制、滞环电流控制及近些年出现的一些非线性智能化。

平均电流控制方法是，通过比较输入电流与基准电流，并通过误差放大器对其进行平均化处理，将得到的平均电流与锯齿波信号进行比较得到驱动开关管的PWM信号。但其控制电路复杂，需要乘法器和电流控制环路[3]。

滞环电流控制方法相对简单，通过滞环逻辑控制器产生驱动开关管的PWM波形，当检测的电感电流超过滞环控制器上限值时，开关管关断，电流下降；当达到下限值时，开关管导通，电流上升，电流响应速度快，但在其开关管频率不固定，滞环带的宽度对系统性能影响大[4]。

近些年来，针对电力电子装置的非线性特点，出现了一些新型的智能化控制方法，如单周期控制、滑模变结构、无差拍控制等，相对于传统的控制策略，这些新颖的控制策略具有控制效率高，动态响应快，对噪声不敏感等优点，得到了人们广泛的关注。

本文根据单周期控制理论，设计了一种基于单周期控制的Boost型APFC电路。与传统的电流控制策略相比，采用单周期控制能够在每个开关周期内抑制输入电压波动，具有动态响应快、鲁棒性强、不受负载电流的约束等优点[5]。本文对主电路设计及单周期的控制方法的实现做了分析，最后通过Simulink建模仿真，验证了所设计的电路能够有效解决输入电流畸变的问题，并提高功率因数，具有很高的工程应用性。

1 单周期控制PFC原理

图1所示为Boost电路后沿调制的单周期控制原理图，主要包括积分器、RS触发器、复位开关、比较器等模块。为简化分析，认为电路中所有元器件为理想元器件，忽略电感电流纹波，视开关管导通电阻为零，忽略能量传递中的损失，开关管的频率远大于输入电压的频率[6]。

图1 工作原理图

对工作在电感电流连续模式（CCM）下的Boost电路，有

式中，Ui和Uo分别为输入电压和输出电压，d为占空比。

当输入电流与输入电压无相位差，即变换器相对于输入端呈电阻性时，此时输入功率因数为 1，为理想状态，此时电路满足

式中，Re即为变换器的等效输入电阻。

根据式（1）和式（2）可得

对式（3）两端同乘Rs可得

式（4）即为连续模式下的单周期控制方程。在稳态时，可认为输出电压Uo是定值，通过改变调制电压Um可以改变等效输入电阻Re，从而实现了对输入功率的控制。

图2所示为其控制过程中主要的波形图，包括电感电流、比较器的输入端电压V1和V2、比较器输出端的PWM波形图及复位信号。其控制电路的工作过程为：在每个时钟周期内，采样输出电压值与基准电压比较后得到电压误差值，经过PI调节器调节得到Um，同时积分器对Um进行积分，作为比较器的反相端值，Um与RsiL的差值作为比较器的正向端值，当二者值相等时，比较器的输出端翻转，控制开关管定时关断，同时积分器复位，从而实现了对占空比d的控制。

图2 单周期控制波形图

2 主电路参数设计及计算

本节介绍所设计的单相Boost型APFC电路主电路部分重要元器件的参数设计与计算过程。设计要求如下：输入电压范围Uin=90～240VAC；输入电压频率fin=50Hz；输出电压Uo=400V；输出功率Po=3kW；开关频率fs=50kHz。

2.1 整流桥的选择

当选择整流桥时，其额定电压应大于输入电压的最大值Uin_max，即

其额定电流应大于输入电流峰值，在输入电压最小时输入电流最大，输入电压最小为 90V，此时输入电流的最大值为

取电路效率η=90%，计算得Ip=52.3A；考虑设计余量，最终选择60A/500V的整流桥。

2.2 升压电感的设计

电感量决定了输入的高频纹波电流，因此电感值的选择主要根据电流纹波的大小。在输入电压最低且输出功率为最大时，此时输入电流纹波最大，该情况下输入电流为

取电感电流的最大脉动是其峰值的30%，即

计算输入电压处于最小值时的占空比，即

电感量的计算式如下：

所以实际选择电感值为150μH 。

2.3 输出电容

输出电容决定了输出电压纹波，这里取最大输出电压纹波为 10%输出电压；则理论最小的电容量为

考虑设计余量实际选用2200 Fμ 。

2.4 功率开关管和输出二极管的设计

当功率开关管导通时，二极管处于反向截止状态，此时开关管的电流为电感电流，二极管承受的反向电压等于输出电压；当开关管关断时，二极管此时正向导通，开关管上的电压值为输出电压，流经二极管的电流为电感电流，因此功率管和二极管的额定电压必须大于输出电压，额定电流必须大于电感电流的峰值[7]。

考虑1.5倍的设计余量：

最后选用额定电流为100A，将耐压值为600V的IGBT作为开关管和相同参数的快恢复二极管。

3 Simulink建模与仿真

根据前文分析的APFC电路单周期控制的基本原理，在Matlab/Simulink中搭建本文所设计的具体电路模型如图3（a）所示，主要参数如下：输入电压为 220V/50Hz，输出电压为 340V，负载电阻R=640Ω；输出电压的采样电阻R1=1580kΩ、R2=20kΩ；电流采样电阻Rs=0.02Ω；其他参数选择根据前面的计算选取。Simulink求解模型采用的是可变步长的ode23t算法，相对误差设置为10-3，其他参数设置为默认[8]，仿真时间为 0.2s。Powergui模块设置为离散模型，采样时间为10-6s，结果如图3（b）所示。

图3 基于单周期控制的Boost型APFC电路模型

图4所示为未加入APFC电路即传统的不可控制整流电路的输入电流与电压的波形图及傅里叶分析结果图。从图中可以看出，输入电流发生严重畸变，谐波畸变率高（THD=92.58%），输入功率因数低。

图5所示为加入单周期控制的APFC电路的输入电流与电压波形图及傅里叶分析结果图，输入电流与输入电压为同相位正弦波，电流谐波小（THD= 2.79%），因此输入功率因数接近 1，证明了单周期控制APFC电路的有效性。图6所示为输出电压波形图，输出电压能够保持 400V输出，说明系统能够稳定控制输出电压。

图4 未加入APFC电路的情况

图5 加入APFC电路的情况

图6 输出电压波形图

4 实验结果与分析

根据上述设计，本文搭建了一台功率为3kW实验样机进行测试，分别得到了输入电压为 220V/50Hz条件下的输入电压与电流波形图及输出电压波形图，实际电路测试结果与仿真波形相符，验证了电路能够有效的改善输入电流畸变问题，得到较高的功率因数。

图7 输入电压与电流实际波形图

图8 输出电压实际波形图

5 结论

本文采用单周期控制方法设计了基于 Boost拓扑的APFC电路，分析了单周期控制的具体原理及过程，给出了Boost拓扑主要元器件的设计及选择，并通过建模仿真及实际实验的方法对所设计电路进行了验证与测试。仿真结果与实际实验结果相符，证明了所设计电路的能够有效改善传统不可控整流电路输入电流谐波畸变大的问题，提高电路输入功率因数，稳定控制输出电压。由于单周期控制策略本身的动态响应快、电路实现简单且对噪声不敏感等特点，所以本文所设计的APFC电路具有极高的工程应用价值。

[1]周洁敏.开关电源理论及设计[M].北京：北京航空航天大学出版社,2012：62-63.

[2]张继红,刘桂花.开关电源中的有源功率因数校正技术[M].北京：机械工业出版社,2010.

[3]Dixon L.Average current mode control of switching mode powersupplies.application Note,unitrode,U-140[Z].2008.

[4]Spangler J,Behera A.A comparison between hysteretic and fixedfrequency boost converters used for power factor correction.in ProcIEEE applied power electronics Conf[Z].2003：281-286.

[5]赵犇,马瑞卿.无桥 Buck-Boost PFC变换器中单周期控制与平均电流控制的对比研究[J].机电一体化,2015,12：23-27,41.

[6]Zhang Housheng,Meng Tianxing.A novel singlephase power factor corrector with one cycle control technology[J].International Conference on Intelligent Computation Technology and Automation,2009.

[7]吉亚泰.单周期控制的 Boost APFC理论分析与Simulink仿真[J].赤峰学院学报(自然科学版),2013(24)：56-57.

[8]林飞,杜欣.电力电子技术的MATLAB仿真[M].北京：中国电力出版社,2008.

Single-Phase APFC Converter of Boost Topology based on One Cycle Control

Han Xiaogang Qi Bojin
(Mechanical Engineering School of Beihang University,Beijing 100191)

One Cycle Control technology is a new non-linear strategy.Comparing with traditional control strategies,it has quicker response,easy to implement and more robust and it’s has been widely applied in power electronics.This paper presents a single-phase APFC converter based on Boost topology using OCC.The principle of OCC is analyzed and the main elements in circuit are calculated.The proposed APFC converter has been validated in simulation and experiments.The results show that it can optimize the input current harmonics,improve the power factor and control the output voltage.

one cycle control；power factor correction；boost topology；simulink modeling

韩晓钢（1991-），男，硕士研究生，主要研究方向为电力电子技术及现代电源应用。