基于传递函数的APFC 控制策略研究

李 丹 张 超 兰莎莎

（1、中国飞行试验研究院改装部，陕西 西安710000 2、中国飞行试验研究院飞机所，陕西 西安710000）

1 概述

直接接入交流电网的无工频变压器开关电源是开关电源中应用最为广泛的一种。传统的无工频变压器开关电源直接把交流电源进行整流后，再经过DC/DC 变换和稳压措施得到所需的稳定的直流输出电压。但是，由于整流环节后有大电容的存在，交流侧只有在交流电压大于直流电容两端电压时才有电流流过，所以交流输入电压是正弦波形，而输入电流却呈现脉冲状。

输入电流的严重畸变会对电网产生严重的谐波污染并且功率因数很低，这不仅影响了供电质量、增加了电网损耗，而且严重时还可能造成某些设备不能正常工作、甚至损坏。随着这些问题的出现，对于接入电网设备的功率因数和总谐波含量提出了很高的要求。提高开关电源的功率因数，不仅可以减小开关电源对电网的无功污染和谐波污染，提高电网的供电质量同时可以降低线路损耗、节约能源。因此，如何消除电源装置中的谐波污染并提高其功率因数，已成为电力电子技术的一项重大课题[1]。

2 有源功率因数校正策略分析

有源功率因数校正的目的是输入电流必须调节到同输入电压成正比，且相位差为零，即，使输入阻抗呈纯阻性，需要反馈信号来控制输入电流。

2.1 平均电流控制Boost APFC 控制原理分析

本文研究的基于Boost 型APFC 电路的平均电流型控制则在围绕升压功率级的反馈环路中用一个放大器使输入电流以极小的误差跟踪调节信号，达到高功率因数。平均电流控制Boost APFC 变换器的电路原理图如图1 所示。主电路由单相整流桥和Boost 变换器等组成；控制电路由输入电压调节器、输出电压调节器、电流调节器、乘法器、PWM 调制器等组成。

平均电流控制Boost 型APFC 变换器控制电路主要是由电流环和电压环组成的双闭环系统。电流环为内环，它使输入电流呈正弦波形；电压环为外环，它使输出电压保持稳定。

图1 平均电流控制BoostAPFC 变换器电路原理图

在闭环控制系统中电流环由电感电流采样、电流调节器、PWM 调节器组成。主电路的输出电压Uo取样和基准电压比较后，输入至输出电压调节器产生Uy。输入电压Uin检测值经输入电压调节器后产生的Ux与Uy共同加到乘法器输入端，乘法器的输出信号Uz作为电流内环的反馈控制信号。电流环基准信号为双半正弦波，它与电感电流IL比较后，经过电流调节器后加到PWM 发生器产生PWM 信号，以控制Boost DC/DC 变换器中开关S 的通断，从而使输入电流的波形与输入电压的波形基本一致，并且同相位，使电流谐波大为减少，从而提高了功率因数。

2.2 传递函数及控制结构

本文采用电流注入等效电路法[2]来建立Boost APFC 电路的小信号模型，并得出由控制到电感电流和由控制到输出电压的传递函数：

由自动控制原理可得出整体电路的控制结构如图2。整体为双环结构，外环为电压环，用于使输出直流电压稳在给定值；虚线框中为电流环，使电感电流跟随双半正弦波，提高电路功率因数。

图2 整体电路控制结构图

电流控制环开环传递函数为：

其中，UL为经过整流桥后的电压，即双半正弦波；GCB（s）为电流环闭环传递函数。

根据推导出的整体电路传递函数，使用Simulink 中的PID Controller 模块中的tune 功能分别进行电流内环及电压外环PI参数的选取，并将该参数运用于Simulink 中搭建的Boost APFC电路中进行仿真。

本文所研究的单相Boost 有源功率因数校正电路，其技术指标为：

图3 整体电路仿真模型

输入电压163V/400Hz，输出功率1kW，输出电压350V,THD小于10%，功率因数达到0.98。主电路参数：升压电感0.35mH，输出电容0.3mF。

3 仿真结果与分析

为了验证所建系统的稳定性，仿真结果分析分为两个部分：静态结果分析和动态结果分析。

3.1 静态分析

图4(a)表示整流器前端的电压电流波形。由图可知，电压、电流波形为严格的正弦波形，且为同频同相，功率因数为0.988；输入电流的总谐波畸变率为6.64%。输入功率因数明显提高，总谐波畸变率明显减小。图4(b)表示APFC 电路输出电压波形，输出电压稳定在350V，纹波为0.77%。整体达到了技术指标要求。

图4 APFC 电路输入、输出波形

3.2 动态分析

整个电路选择在0.4s 时加载，为系统提供一定扰动。图5为受到扰动后的输入电压、输入电流波形以及输出电压波形。

图5(a)表示动态过程中的整流器前端的电压电流波形。由图可知，0.4s前后电压、电流波形为严格的正弦波形，且为同频同相，0.4s 后输入电流幅值增加，功率因数为0.981；输入电流的总谐波畸变率7.71%。0.4s 后输入功率因数有明显提高，总谐波畸变率依然很小。图5(b)表示APFC 电路输出电压波形，由图可知，在0.4s 时电压值有波动，但很快又稳定在350V，稳定后纹波为0.83%，整体达到了技术指标要求。

4 结论

本文基于Boost APFC 拓扑使用平均电流控制方法进行其控制策略的研究。分析了控制原理，并利用电流注入法对功率级电路进行了小信号建模，得出来由控制到电感电流和由控制到输出电压的传递函数，结合自动控制原理相关知识使用Simulink 工具得出电流环及电压环的控制PI 参数，并搭建模型进行了仿真验证。由静态及动态仿真结果可知：该控制参数下的输入电流波形是严格的正弦波，功率因数得到提高，谐波含量大大减少，整体满足指标要求。

图5 APFC 电路输入、输出波形(0.4s 加载)