无桥PFC电源的单周期控制及EMI抑制

杨昕樵，易映萍，胡四全

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.许继柔性输电系统公司，河南 许昌 461000)



无桥PFC电源的单周期控制及EMI抑制

杨昕樵1，易映萍1，胡四全2

(1.上海理工大学 光电信息与计算机工程学院，上海 200093；2.许继柔性输电系统公司，河南 许昌 461000)

为解决5 kW以上直流稳压电源前级PFC电路的动态响应与电磁干扰问题，同时减少系统损耗，文中分析了基于单周期控制原理的无桥PFC电路模型，针对无桥结构严重的电磁干扰问题设计了数字有源EMI滤波器，在理论基础上进行仿真分析并设计了实验样机。实验及仿真结果证明，该数字有源EMI滤波器能较好地解决无桥结构的EMI问题，同时也说明了单周期算法对于无桥结构的适用性。

无桥电源；功率因数校正；EMI抑制；单周期控制

近年来，电力电子装置被广泛应用于电动汽车领域中的电池管理、电机控制等方面。然而随着大功率充电桩的广泛普及，以及电动汽车对于充电设备电气性能的较高要求，与之配合的功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)技术亟待发展更新[1]。使用传统模拟芯片的有桥Boost结构功率因数校正电路损耗高、动态响应较慢，而无桥结构由于其低损耗、高可靠性的特点，是目前实现大功率PFC的良好选择[2]。针对无桥电路的特点采用合适的控制算法与EMI抑制电路是无桥PFC应用的前提。

1 传统有桥与新型无桥PFC的对比

传统控制算法使用电压外环配合电流内环的控制方式，需要输入电压、电流与直流侧电压采样。内部集成模拟乘法器、三角波发生器，通过检测电流均值控制开关管占空比，最终调节电流波形。这种控制策略导致外围辅助电路复杂。而单周期控制策略的应用无需交流侧电压采样与模拟乘法器，简化了电路设计[3]。

传统有桥PFC基于Boost电路结构，整流桥的存在导致了不可避免的通态损耗，在应用于10 kW锂电池充电装置中，仅整流桥的损耗就会占到功耗的1%～2%[4]。相比之下，无桥PFC电路省去了二极管整流器，通过两个功率MOSFET开关管与两只快恢复二极管组成全桥，如图1这种结构的关键问题是交流侧与直流侧无法共地，传统应用上需要设计复杂的交流电压检测装置来解决采样共地问题。针对此种情况，单周期控制算法不需要检测交流电压量。与此同时，相比较于有桥结构，由于电路交流侧浮于直流侧地，寄生电容充放电过程导致了无桥结构存在很大的共模干扰[5]，需要特别设计EMI滤波器，这也是无桥结构PFC电路需要解决的关键问题。

2 无桥PFC结构与原理

无桥PFC电路实际上是一种单相全桥结构[6]，即每个桥臂均有一个开光管与快恢复二极管。当输入电压位于正半周时，若S1、S2导通，如图1(a)所示，电流经过S1流经S2寄生二极管返回交流侧，电感完成储能过程；若S1、S2关断，如图1(b)所示，电流经过D1到达负载，流经S2的寄生二极管返回交流侧。

图1 无桥PFC电路结构与工作原理

当输入电压位于负半周时，同理，开关管导通时，如图1(c)所示，电流经过S2与S1的寄生二极管完成电感储能；关断时，如图1(d)所示，电流流经D2、负载与S1寄生二极管完成直流侧供电过程。可见，仅需要两路相同的门级信号即可完成对电路的控制。由此原理可知，此种无桥PFC电路与Boost电路一样，通过改变开关管的开通与关断，改变输出的直流侧电压与交流侧电流，实际上，可将此电路等效于两个工作于不同交流电压半周的Boost结构PFC的组合[7]。

3 单周期控制原理

单周期控制是一种非线性大信号控制理论，其特点是每个开关周期变量的均值严格正比于控制参考量，这就使系统所控的输入电流不受负载的变化而发生畸变，并且由于可以在一个周期内实现对目标量的控制，大幅提高了系统动态性能。文献[8]中对单周期原理以及此控制策略在功率因数校正中的可行性进行了建模分析，证明了单周期控制算法适用于传统PFC控制器。

功率因数校正的基本要求是输入电流波形正弦化且与电压波形相位一致，也就是要求变换器整体输入阻抗呈纯阻性，定义系统等效阻抗为Re，PFC过程实现的即是表达式[8]

Vin=ReiL

(1)

设等效电流采样电阻为Rs，根据Boost电路模型在一个开关周期内，变换器输入输出关系为

(2)

其中，D为周期内的开关占空比，可得采样与输出电压关系

(3)

合并公式，可得

(4)

排除纹波影响，将输出Vo看作是定值，针对一个开关周期进行分析。由式(3)可知，调制电压Vm也是恒定的，即得到了输入电流和输入电压的关系，电流总是跟随电压变化，同时可以得到控制目标方程

Vm-iLRs=DVm

(5)

单周期控制中，当输入或负载变化时，在每个控制周期，占空比都会随着系统状态的改变而变化，没有传统意义上的瞬态过程。相比于传统的控制方式，这显然增强了系统的动态响应能力。

在控制周期内，系统控制方程可由式(6)表示，调制电压V1与积分电压V2通过比较器后，即可得每个开关周期的占空比

(6)

根据对CLOCK时钟信号的不同响应，单周期可分为两种不同的调制类型。时钟控制开关管关断为前沿调制，相反，控制开关管开通为后沿调制。图2框中给出了前沿控制框图，可得出PWM开关周期与电感电流之间的对应关系。

前沿调制适用于电感电流连续的平均电流控制策略，而与前沿调制不同，后沿调制一般用于峰值电流控制[9]。

图2 单周期控制框图

4 数字EMI滤波器

数字EMI滤波器理论上是一种高效的谐波抑制装置，可以解决无桥PFC经常使用无源EMI滤波装置体积大、功耗高的问题，并且没有电感电容的寄生与高频扼流圈磁芯饱和的现象。其基本工作原理是采样原始信号中的高频部分，经过反相器后重新注入原信号中，使得高频部分被抵消抑制[10]。

数字EMI滤波系统包括采样、数字处理及模拟信号注入部分。在采样时，使用高通滤波器滤出高频信号，经过反向后，再通过低通滤波器滤出数字处理时产生的更高频杂波，后注入电路中。另外，在设计过程中，为了使注入点与采样点的耦合尽可能低，防止过大的环流产生，可加入解耦变压器，将D/A转换器的电流并入主电路中[11]，控制结构如图3所示。

图3 数字控制EMI滤波器结构

高通滤波器采样单倍增益二阶有源巴特沃斯结构，其传递函数为

(7)

其中，截止频率为

(8)

低通滤波使用一阶无源RC结构，传递函数为

(9)

在无桥PFC结构中，根据电磁干扰标准定义，传导干扰信号一般在150 kHz～300 MHz之间，即可选取fH为150 kHz，fB为300 MHz。

反相器由主控FPGA芯片担当，其中，G(s)=-K，同时，由于采样与注入部分的数字模拟转换过程，分析时需要串入零阶保持器，其中T为采样周期

Z(s)=(1-e-sT)/s

(10)

实际系统中，并不能做到绝对的实时采样与注入，故使用Delay函数来模拟系统的迟滞性

D(s)=e-τs

(11)

其中，τ为延迟时间常数。

最终，得到数字EMI滤波器的闭环传递函数为

(12)

将滤波器并入无桥电路中，可得系统完整的控制图。

图4 系统控制框图

针对上述无桥结构电路，并结合单周期算法控制模型，可建立无桥电路开环传递函数模型[12]

(13)

不考虑传感器增益与误差，分析有源EMI滤波器对于无桥模型在阶跃响应下的影响，如图5所示。实线为无任何滤波器的系统阶跃响应，虚线为加入了数字有源EMI滤波器的阶跃响应曲线，由图可见，滤波器的加入改善了系统的动态响应速度，超调减小。

图5 阶跃信号下的系统响应

5 仿真分析

基于Plecs仿真软件，搭建无桥单周期控制PFC与有源数字EMI滤波器仿真模型，仿真系统参数如表1所示。

表1 无桥PFC仿真系统参数

在无施加外部干扰时，获得如下仿真结果。如图6所示，系统稳定时交流侧电压电流波形相位一致，经过功率因数测量单元，得到功率因数为0.99以上，可实现PFC电路基本的单位功率因数调节功能。突加负载时，在控制周期内，电流波形迅速响应负载变化而增大幅值，同时保持与电压的相位一致。

图6 交流侧电压电流波形

测试系统对于外部的传导干扰的电磁敏感度，在交流侧施加频率为10 MHz，幅值为15 V的干扰信号，无数字滤波器，仅有一组共模抑制变压器，此时的桥前输入电压波形如图7上半部分所示。虽然经过了共模抑制变压器，高频的干扰信号仍然没有完全消除，输入桥臂的电压由于干扰依然存在较大的纹波。

图7 交流侧电压局部图

图7下半部分为经过数字EMI滤波器的电压局部图，可见系统有着很好的滤波效果。在仿真中，如果使用理想运放器件，可以完全消除干扰信号。然而由于采样与注入延迟时间的存在，会导致滤波性能下降，因而在实际应用中，此种EMI滤波器需要快速A/D与D/A硬件支持[13]。

6 样机设计

基于上述原理与仿真研究，设计了基于FPGA主控平台的样机。其中FPGA主控芯片负责单周期控制算法与数字EMI滤波器中的数据处理与反相器的实现。主控芯片外部挂载250 MSample·s-1以上的A/D转换芯片[14]，并有相应的信号调理与供电电路。电路参数如表2所示。

表2 样机参数

样机运行时的交流侧电压电流波形如图8所示。

图8 交流侧电压电流波形

7 结束语

本文对无桥结构PFC的研究证明了前沿型单周期控制算法能满足无桥结构的控制要求。同时针对无桥结构的EMI问题设计了数字EMI滤波器。结合实际应用，分析了无桥结构的控制模型并进行了电路设计。

无桥结构在PFC中的研究已有很多，针对其EMI问题多数学者使用改良的硬件电路结构加以解决，然而过多的EMI抑制器件削弱了无桥结构低损耗的优势[15]。本文提出的单周期控制结合EMI滤波算法趋向于在软件层面解决此类问题，同时也利用了FPGA的快速并行处理能力[16]。

样机主控与信号调理板造价仍比较昂贵，并没有在此方面与传统结构拉开距离。对成本问题的优化是接下来要研究的课题。

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One Cycle Control Principle and EMI Suppression of Bridgeless Power Factor Correction Power Supply

YANG Xinqiao1，YI Yingping1，HU Siquan2

(1 School of Optical-Electronic Information and Computer Engineering,University of Shanghai for Science and Technology,Shanghai 200093,China;2.Xuji Flexible Transmission System Corporation,Xuchang 461000, China)

In order to solve the problem of electromagnetic interference and dynamic response of 5KW DC power supply PFC circuit, and reduce the loss of the system, analyzes the principle of one cycle control model based on bridgeless PFC circuit, and serious electromagnetic interference problem of bridgeless structure, design a kind of digital active EMI filter, finally design an experimental prototype based on the theory of simulation. The experimental and simulation results show that this digital active EMI filter can solve the EMI problem of the bridgeless structure, and it also shows the applicability of the one cycle control algorithm to the bridgeless structure.

no bridge power supply;power factor correction;EMI suppression;one cycle control

2016- 10- 26

杨昕樵(1992-)，男，硕士研究生。研究方向：电力电子与电力传动。易映萍(1967-)，女，副教授。研究方向：电力电子与电力传动。胡四全(1976-)，男，高级工程师。研究方向：直流输电系统控制。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2017.08.037

TN86

A

1007-7820(2017)08-134-05