一种无桥APFC的控制方法研究

曹明秀

（合肥华耀电子工业有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

传统的有桥有源功率因数矫正（Active Power Factor Correction，APFC）方案中，输入整流桥的损耗在所有损耗中占主体部分。无桥APFC技术是通过消除输入的整流桥器件，从而降低了损耗。同时由于主电路全部采用了半导体场效应晶体管的结构，所以反过来也可以实现逆变的功能，能够应用于双向交流转直流（AlternaTlng Current/Direct Current，AC/DC）中。

APFC的作用是将交流输入转换成直流输出，同时实现单位功率因数校正功能。实现稳定的直流输出有很多种方法，本文阐述的是一种图腾柱主电路拓扑结构，采用的控制方法是电压外环和电流内环的双环控制[1,2]。主电路拓扑结构如图1所示。

图1 APFC主电路拓扑

图1中，L1和L2为交流侧滤波电感，C为直流侧输出端下端电容，RL为电阻性负载。

1 无桥APFC控制策略

无桥APFC的控制方式是通过电压环的调节和电流环的调节实现脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）的输出，环路控制器为比例积分（Proportion Integral，PI）控制器，环路输出叠加电压前馈实现调制波输出，可变的PWM占空比控制功率开关管的导通时序，从而实现输出控制[3]。系统控制结构如图2所示。

图2 系统控制结构

1.1 电压环控制

电压环控制的目的是为了稳定直流侧电压Uout，三相电网基波电动势为

式中：ea、eb、ec分别为A相、B相、C相的电动势；Em为电网电动势基波峰值；ωt为正弦信号的相位。

电压环控制结构如图3所示，输出反馈电压与参考电压进行PI调节，调节的结果作为电压环输出[4,5]。

图3 电压环控制结构

1.2 电流环控制

输入电流与电压环PI调节后的结果相乘作为电流内环的给定值Iref，然后反馈电流和电流参考进行电流环PI计算，其计算结果作为占空比输出控制开关管[5,6]。电流环控制过程如图4所示。

图4 电流环控制结构

1.3 电流环路前馈控制

在电流环控制的基础上增加前馈控制，使PI调节在一个稳态范围，让PI调节更简单、准确，实时实现动态响应。通过增加前馈控制，给系统一个预估的正弦位置，可使电流波形更加接近正弦波，降低总谐波失真（Total Harmonic Distortion，THD），提高中小功率功率因数值[6]。

由于APFC电流在一个过零处和轻载下存在断续工作模式，因此需要在前馈控制中分别计算出断续工作模式和连续工作模式对应的占空比，取最小值作为前馈环路输出值[7]。断续工作模式及连续工作模式的占空比计算公式分别为

前馈环路输出的计算公式为

式中：Uin为输入电压；U0为输出电压；DCCM为APFC CCM前馈占空比；Pin为输入功率；fs为开关频率；L为电感感量；f为控制频率；DDCM为APFC DCM前馈占空比；DOUT为前馈输出。控制芯片每个采样周期计算一次DCCM与DDCM数值，然后选取较小值作为占空比前馈变量。

1.4 同步整流设计

三相APFC最关键的一点是同步整流的开启时机。工频整流管跟随输入交流电的相位，高频整流管在电感电流进入连续导通（Continuous Conduction Mode，CCM）的模式下开始开启。

利用电源仿真软件（Power Simulation，PSIM）建立了仿真模型，设定输出电压为390 V，电网输入相电压有效值为220（1±10%）V，输出端接纯阻性负载[8]。仿真结果如图5所示。

图5 APFC的仿真结果

图中①线表示交流输入电压波形，②线表示交流输入电流波形，输入电流与输入电压同相位，且输出稳定，可见采用此控制方法实现了良好的效果。

2 软件设计

软件采用模块化设计，电压环与电流环路计算均在模数转换（Analogue to Digital，AD）中断中执行，每个AD采样周期执行一次计算，计算结果作为PWM的占空比输出，实时调节[9,10]。电压环、电流环的计算和控制均采用在每个AD采样周期中执行的方式，程序流程如图6所示。

图6 程序流程

3 实验结果

为了验证以上分析的正确性，进行了实验验证。实验电路的基本参数为：交流输入电压Uac=220 V/50 Hz；交流侧滤波电感L=280 μH；直流侧滤波电容C=2 340 μF；直流侧输出电压Uo=390 V，实验结果如图7所示。

图7 稳定输出时输入电流波形

图中①线表示输出电压波形，②线表示交流输入电流波形。此种无桥APFC在过零点后增加软启动控制方法，以限制占空比的大小，降低了电流尖峰；同时采用的同步整流设计用场效应管代替体二极管续流，提高了电源的效率。综上可知，此控制方法实现了良好的效果，满足设计要求。

4 结 论

本文介绍了无桥APFC关键控制方法的设计过程，特点有：（1）采用无桥拓扑，较有桥的拓扑效率高，发热少；（2）采用电流环与电压环双环控制方式实现对输入电流的数字控制，结合占空比前馈的控制以及同步整流的改善作用；（3）采用的无桥APFC控制方法可适用于充电机电源模块的前级APFC控制策略。