交错并联PFC电源研究与设计

马昭

(西安航空学院 电子工程学院, 陕西 西安 710077)

基金项目:西安航空学院校级科研基金项目(2017KY1221)

0 引 言

因PFC能够大大降低对电网的谐波污染而被广泛使用。传统的BOOST PFC电路能够实现很好的功率因数校正功能，使得功率因数接近1，并且具有结构简单、效率高的特点，在中小功率电源装置中应用非常多。随着高功率电子装置的应用，对高功率电源的需求也越来越多，传统的PFC难以实现高功率电源设计。交错并联PFC拓扑结构的出现很好地解决以上问题。交错并联结构通过多个单元功率模块交错相位控制、并联形成新的变换器，使得每个单元各承担总功率的一部分。这种方案减少了开关器件的电流应力，使得选型更为便捷。此外，该结构由于每相电流错开一定的相位，叠加的结果使得输入电流纹波降低。因此，研究釆用交错并联PFC电源具有很大的应用价值[1]。

1 总体结构与分析

电源总体结构如图1所示。电源主要由两部分构成：交错PFC功率电路和控制电路。功率电路通过两个电感、电容、二极管构成的BOOST升压交错并联PFC电路，实现电能交流到直流的变换。控制回路采用双闭环控制方法。电压外环用来实现输出稳定电压作用，电流内环控制输入电流跟随输入电压变化，达到功率因数校正作用。

图1 交错并联PFC电源总体结构图

交错并联PFC电源的控制方式有多种，平均电流控制具有控制的是输入高频电流的平均值，对噪声不敏感，而且不会产生次谐波震荡。因而本文选择平均电流控制模式,具体实现过程如下：

电压环的输入参考电压Vref和采样输出电压相减后得到误差电压。该误差经过电压环PI控制器产生控制信号，该信号和输入交流电压经过乘法器后得到电流内环的参考电流Iref。再通过电流环PI控制器产生PWM控制输出，从而实现电感电流能够跟随参考电流Iref变化，实现输入电流正弦化。

2 硬件电路设计

2.1 电源技术参数

电源的技术参数如表1所示。

表1 电源的技术参数

2.2 电感设计

电源总的输入电流为各相电感电流之和，电流纹波k(D)与占空比D相关[2]，且电流纹波比值k(D)为:

(1)

电感量在最低输入电压180 VAC下计算可以得到最大占空比为:

(2)

式中:Dmax为最大占空比；i(s)为电感电流在S域函数；d(s)为占空比在S域函数；Vo为输出电压幅值；Vin_min为最小输入电压。

两相交错并联PFC电源中，每个并联的变换器的承担功率为总电源功率的1/2，根据输入输出功率平衡，单相电感电流有效值为:

(3)

式中:IL_rms为单相电感电流有效值；Po为电源输出功率；η为电源效率；Vin_min为最小输入电压。

令电感电流纹波调整率为0.2，输入纹波电流为ΔIg=1.1 A。电感L计算公式为:

(4)

式中:Ts为开关周期；ΔIg为输入纹波电流。

上式得出的电感值为交错并联PFC电源的最低电感值，实际电路中采用升压电感值为700 μH。

2.3 电容设计

输出电容的确定要满足最小保持时间要求和最大输出电压纹波值。输出电压维持系数α为0.8，Δt=20 ms。根据维持电压确定输出电容为[3]:

(5)

设定输出纹波电压为输出电压的3%，由输出电压纹波确定输出电容为:

(6)

式中:Vo为输出电压;α为输出电压维持系数;Co为输出电压容值;f为50 Hz。综上最终选择输出电容为450 μF/500 V电容。

2.4 开关管和二极管的选择

MOS管和二极管选型时，要考虑耐压和过电流能力并留有一定裕量。在此开关管选择IRFP460，二极管选择MURF860。

3 控制环路设计

3.1 电流环控制器设计

控制输出到电感电流的传递函数Gid(s)为[4]:

(7)

式中:Gid(s)为控制输出到电感电流的传递函数；Ro为输出负载；L为电感值。

电流内环控制结构如图2所示。为实现很好地跟踪输入电压变换，电流环要有很快的响应速度。电流补偿器的带宽应更高，在此选择电流环带宽在5 kHz至15 kHz之间。

图2 电流内环控制结构图

图2中：Gid(s)为占空比控制到输入电流的传递函数；Gic(s)为电流内环控制器;k1、k2为增益系数。代入电源参数值，得到电流环开环传递函数的Bode图如图3所示。

图3 电流环开环传递函数Bode图

由图3可以看到，传递函数穿越频率为90.9 kHz，容易使系统不稳定，且低频增益过小导致控制误差较大，选择 PI控制器进行补偿校正。PI参数为：Kp=0.06；Ki=150。因而得到校正后电流环的开环Bode图如图4所示。

图4 电流环校正后传递函数Bode图

由图4可知，校正后的穿越频率为10.9 kHz，相角裕度为87.9°，该环路是稳定的，并具有合适的穿越频率。

3.2 电压环控制器设计

将被控对象等效为驱动电容[5]。电压外环控制框图如图5所示。Gvc(s)为电压环PI控制器，k3、k4为增益系数。

图5 电压环控制框图

电压环控制器PI控制器参数：Kp=35；Ki=400。校正后的开环传递函数Bode图如图6所示。

图6 电压环校正后传递函数Bode图

由图6可以看到，校正后的相角裕度为79.1°，穿越频率为9.46 Hz，系统是稳定的，且具有较低的穿越频率。

4 仿真及波形分析

在MATLAB使用Simulink搭建交错并联PFC电源的试验仿真电路，包括功率电路、电源控制电路、信号采样调理电路。交错并联 PFC电源在600 W满载情况下，输入电压为220 V的输入电压和电流(为便于观察，将电流波形放大10倍)、输出电压和输出纹波波形如图7所示。

图7 输入220 V时输入电压、输入电流和输出电压波形

同样，当负载为600 W满载、输入电压降低为85 VAC时，输入电压和电流(为便于观察，将电流波形放大了5倍)、输出电压以及输出电压纹波波形如图8所示。

图8 输入85 V时输入电压、输入电流和输出电压波形

由图7和图8可以看出，电源的输入电压和电流完全同相位，输入电流正弦度较好，功率因数约为1。观察输出电压，都能很快达到稳定值400 V，输出电压无明显过冲，其电压纹波小于8 V，能够满足+2%纹波的设计要求。图9为两相电感电流波形，图中电感电流形状基本一致，呈正弦波正半波形状。

图9 两个电感电流波形

图10是电感电流在每个周期变化的波形，电感电流在相位上互差180°，纹波较大，但是总的合成输入电流纹波大大降低。

图10 电感合成电流与分电流波形

5 结束语

本文对400 V/600 W交错并联 PFC电源进行了设计，详细分析了交错并联 PFC电源的工作过程，对硬件电路功率器件进行了选型设计，对控制环路补偿器进行设计，并通过Bode图分析

了设计可行性。最后，搭建仿真模型，对设计结果进行了验证。结果表明，该设计输出电压纹波低、输入电流畸变小、功率因数高，符合预期要求。