峰值控制交错并联Boost PFC的设计

第２７卷第８期　２０１０年８月　机　电　工　程　Ｖ０Ｉ＿２７　Ｎｏ．８　Ａｕｇ．２０１０　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ＆Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　峰值控制交错并联Ｂｏｏｓｔ　ＰＦＣ的设计　王山山，柳绪丹，胡长生　（浙江大学电气工程学院，浙江杭州３１００２７）　摘要：功率因素校正（ＰＦＣ）技术已广泛的应用于各类电力电子装置当中。为了实现功率因数校正技术在较高功率场合的应用，提　出了一种基于峰值电流模式控制的交错并联Ｂｏｏｓｔ　ＰＦＣ变换器。首先分析了在电感电流连续模式下交错并联Ｂｏｏｓｔ　ＰＦＣ电路的工　作原理，然后利用状态空间平均法建立了主电路的数学模型，在推导了峰值电流闭环控制传递函数的基础上详细分析了闭环控制　器的参数选取。最后试制了一台１．２　ｋＷ交错并联Ｂｏｏｓｔ　ＰＦＣ样机。试验结果表明，该变换器具有良好的功率因数校正效果。　关键词：交错并联；功率因数校正；峰值电流控制　中图分类号：ＴＭ４６　文献标识码：Ａ　文章编号：１００１—４５５１（２０１０）０８—００８８—０４　Ｄｅｓｉｇｎ　ｏｆ　ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ　Ｂｏｏｓｔ　ＰＦＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ｐｅａｋ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ＷＡＮＧ　Ｓｈａｎ—ｓｈａｎ，ＬＩＵ　Ｘｕ—ｄａｎ，ＨＵ　Ｃｈａｎｇ—ｓｈｅｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３　１００２７，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ＰＦＣ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｈａｓ　ｂｅｅｎ　ｗｉｄｅｌｙ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｉｎ　ｖａｒｉｏｕｓ　ｔｙｐｅｓ　ｏｆ　ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ　ｐｏｗｅｒ　ｄｅｖｉｃｅ．Ａｉｍｉｎｇ　ａｔ　ｒｅａｌｉｚｉｎｇ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＰＦＣ　ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　ｉｎ　ｈｉｇｈ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ，ａ　ｎｅｗ　ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ　Ｂｏｏｓｔ　ＰＦＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｗｉｔｈ　ｐｅａｋ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｏｄｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎ—　ｔｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａ　ｄｅｅｐ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｃｏｎｔｉｎｕｅ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｏｄｅ　ｏｆ　ｏｐｅｒａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｍａｄｅ．Ａｎｄ　ｉｎ　ｔｈｅ　ｍｏｄｅｌｉｎｇ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅ　ｓｔａｔｅ・ｓｐａｃｅ　ａｖｅｒａｇｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ　ｗａｓ　ｕｓｅｄ．Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｒａｎｓｆｅｒ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　ｏｆ　ｃｏｎｔｒｏｌ　ｌｏｏｐ，ｔｈｅ　ｒｅｇｕｌａｔｏｒ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｉｒｃｕｉｔ　ｗａｓ　ａｌｓｏ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ａｔ　ｌａｓｔ，ａ　ｐｒｏｔｏｔｙｐｅ　ｏｆ　ｉｎ—　ｔｅｒｌｅａｖｅｄ　Ｂｏｏｓｔ　ＰＦＣ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｒａｔｅｄ　ａｔ　１．２　ｋＷ　ｗａｓ　ｂｕｉｌｔ．Ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ　ｈａｓ　ｆａｖｏｒａｂｌｅ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｎｅｓｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ；ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ＰＦＣ）；ｐｅａｋ　ｃｕｒｒｅｎｔ　ｍｏｄｅ　ｃｏｎｔｒｏｌ　０　引　言　随着电力电子技术的飞速发展，电网系统中电力　电子负载急剧增加，谐波污染日益严重。功率因数校　正（ＰＦＣ）电路是改善电网供电质量的一种有效办法。　管错时分担输入电流，提高了输入电流纹波频率，减小　了输入纹波电流幅值，有利于滤波电路的设计和减小　开关损耗。另一方面，交错并联Ｂｏｏｓｔ　ＰＦＣ变换器拓　扑结构决定了其电路相对复杂，控制难度较大的缺点，　同时由于拓扑中电感为独立两个，参数难以一致，容易　引起电感电流不均　Ｊ。　本研究给出一种交错并联电路的峰值控制方案。　峰值控制方法简单，具有良好的线性调整率和快速的　Ｂｏｏｓｔ电路因其拓扑结构简单、效率高、易于控制等特　点而被广泛运用于ＰＦＣ技术中　１－２］。　交错并联Ｂｏｏｓｔ　ＰＦＣ电路在较大功率容量的场合　具有较强的优势　Ｊ，其通过多个交错控制的Ｂｏｏｓｔ变　换器并联，有效地实现了较高功率容量输出，避免了开　动态响应，与其他控制方式相比，其针对逐个脉冲电流　控制，较易的实现了对开光管的限流保护　Ｊ。本研究　关管直接并联引起的电流不均，降低了开关管的容量　要求。在交错并联Ｂｏｏｓｔ　ＰＦＣ变换器中，由多个开关　收稿日期：２０１０—０１—１５　结合交错并联Ｂｏｏｓｔ　ＰＦＣ电路的工作原理，对ＣＣＭ峰　值电流控制闭环进行设计，最后制作一台１．２　ｋＷ的　作者简介：王山山（１９８５一），男，内蒙古通辽人，硕士研究生，主要从事新型功率因数校正技术方面的研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｗａｎｇｓｈｅｎ３３８２＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ　通信联系人：胡长生，男，副教授，硕士生导师．Ｅ－ｍａｉｌ：ｈｕｃｓ＠ｚｊａ．ｅｄｕ．ｃｎ　第８期　王山山，等：峰值控制交错并联Ｂｏｏｓｔ　ＰＦＣ的设计　・８９・　实验样机以进行验证。　（３）状态Ⅲ。开关管Ｓ　开通，Ｓ　关断，此时电感　１　交错并联电路工作状态分析　交错并联控制技术是针对工作频率相同的多个开　关功率变换器单元并联场合，控制各单元功率管交错　工作的一种控制策略。应用该控制策略在一个开关周　期内，每个单元都只开通相同时间，时序呈有规律的交　电流ＩＬ　上升而　：下降。　（４）状态Ⅳ。开关管Ｓ　、Ｓ　均关断，此时两电感　电流都减小，输出电容Ｃ　储存能量。　２峰值控制环路设计　２．１总体控制方案　错状态。一种交错并联ＰＦＣ，如图１所示，由两个　Ｂｏｏｓｔ单元构成，采用峰值电流模式实现交错并联控　制，两个开关管的驱动信号相差半个开关周期。　图１　交错并联Ｂｏｏｓｔ　ＰＦＣ主拓扑及其控制　与传统Ｂｏｏｓｔ　ＰＦＣ相应，交错并联电路也可工作　在电感电流断续（ＤＣＭ）　、电感电流临界连续（ＣＲＭ）　模式　Ｊ。工作在这两种模式下二极管没有反向恢复　问题，但电路输入电流谐波含量较高。为获得较高的　功率因数，本研究采用ＣＣＭ模式。　开关管　和ｓ，各有开、关两种状态，在电感电　流连续模式下，电路可能出现４种工作状态，如图２　所示　、　　．瘟　一　一（ｃ）状态１１Ｉ　一（ｄ）状态Ⅳ　　图２变换器在ＣＣＭ模式下的４种工作状态　（１）状态Ｉ。开关管．ｓ　和．ｓ　同时开通，电感电　流ＩＬ　、　均上升，输出电容Ｃ　释放能量。　（２）状态Ⅱ。开关管５。关断，５：开通，电感电流　下降而　上升。　如图１所示，控制部分采用双环控制结构。其中，　电压外环着重于输出端电容电压的反馈和调节，电流　内环则控制输入电流跟踪输入电压变化，实现输人电　流波形的校正。　输入的整流电压　（ｔ）和输出电压的误差放大信　号相乘，与输入电流ｉ　（ｔ）进行比较后，形成峰值电流　基准ｉ，（ｔ），经峰值电流控制器输出两路相位相差１８０。　的控制信号ｄ（ｔ）。由于电流基准是全波整流电压的　采样值与电压环误差放大器的输出乘积决定的，则能　实现电感电流峰值包络线跟踪　，使输入电流与输入　电压同相位并接近正弦。　２．２　电流内环反馈控制系统设计　为了获得较高功率因数，提高系统的输出精度和　动态特性，需要对电流闭环设计良好的补偿网络。整　个电流闭环结构如图３所示。　图３电流闭环结构　未加补偿网络Ｇ　（ｓ）的回路增益函数为Ｇ　（ｓ）＝　Ｆ　（Ｓ）Ｇ。　（ｓ）・Ｋｒ，称为原始增益函数。功率级开关频　率远大于工频，可根据状态平均法忽略电感电流纹　波　Ｊ，通过建立电流环功率级的小信号简化模型，求　得功率级传递函数为：　Ｇ　＝瓦Ｖｏａ　（１）　，Ｌ】　交错并联峰值电流控制器的电路原理如图４所　示。经分频的两路时钟脉冲ＣＬＫ１和ＣＬＫ２相位相差　１８０。，保证了Ｒｓ触发器置位时问相差半个周期，实现　交错控制。每个开关周期之初，时钟脉冲置位触发器，　开关管开通，电感电流逐渐增加。当检测到经斜坡补　偿后的开关电流大于基准电流ｉ　时，比较器反转并复　位ＲＳ触发器，开关截止，等待定频时钟再次触发。斜　坡补偿提高了峰值电流控制的稳定性。　・９０・　机　电　０　ａＴ，　７　（ａ）原理图　（ｂ）主要波形　图４交错并联峰值控制器原理图及其主要波形　考虑了斜坡补偿的峰值电流控制传递函数为：　Ｆ　）　１　（２）　式中　一斜坡补偿电流斜率；　一开关周期；　广斜　坡补偿信号转换电阻。　补偿网络需要具有较高的低频增益、较宽的中频　宽度和高频时较快的下降速度，这样可以较好地跟踪　参考正弦波并对开关纹波具有一定抑制能力。补偿网　络及其幅频特性如图５所示。　（ａ）补偿网络　（ｂ）幅频特性　图５补偿网络及其幅频特性　补偿网络的传递函数为：　Ｇ　ｏ（ｓ）　——　ｓ　尺ｌＲ２Ｃ１Ｃ２＋　（ＲｌＣ１＋ＲｌＣ２＋Ｒ２Ｃ２）＋１一　（３）　补偿网络的设计要求是：系统回路函数Ｇ　（Ｓ）・　Ｇ。（ｓ）的增益交越频率　设定为开关频率的１／１０～　１／５，回路增益函数以一２０　ｄＢ／ｄｅｃ斜率通过０　ｄＢ线。　为减小输出高频开关纹波，可将极点　设定在开关　频率。为满足稳定性要求，系统相位裕量选择在６０。　左右。　３峰值控制交错并联Ｂｏｏｓｔ　ＰＦＣ的实现　３．１控制系统的实现　控制环节采用传统的ＰＦＣ控制芯片ＵＣ３８５４和交　错并联控制芯片ＵＣ２８２２０共同组成。ＵＣ３８５４利用其　内部电压电流环误差放大器和乘法器，产生电感电流　峰值控制所需给定值，并由ＣＡＯＵＴ输出。ＵＣ２８２２０　通过外部两路电流互感器采样开关管电流，经过内部　比较器，输出两路相位相差１８０。的ＰＷＭ控制信号。　每一路的开关频率设定在６５　ｋＨｚ。　电流闭环通过设置补偿网络参数，得出了补偿后　的系统回路函数频率特性，如图６所示。由图６可知　工　程　第２７卷　增益交越频率　＝８　ｋＨｚ，相位裕量ＰＭ＝６２。，满足系　统稳定性要求。　２００　１ＯＯ　２０　ｌｏｇ（ＩＧ∽Ｉ）　０　１ＯＯ　－８０　—１ＯＯ　－ａｒｇ（Ｇ（／））　１８０＿ｌ４１２：　一ｌ６０　—１８０　１　１０　１００　ｌｘｌ０　ｌｘｌ０　ｌｘｌ０　ｌｘｌ０　ｌｘｌ０　厂　图６　补偿后的回路函数频率特性　３．２主要元件的选取　根据功率管的电压和电流应力，留取１．５～２倍的裕　量，ＭＯＳＦＥＴ选用ｉｎｆｉｎｅｏｎ公司的ＩＰＷ６０Ｒ０９９ＣＰ；为了降　低二极管反向恢复所带来的损耗和强ＥＭＩ，本研究采用　ｉｎｆｉｎｅｏｎ公司ＳｉＣ肖特基二极管，其型号ＩＤＴ０６Ｓ６０。　两电感参数相同，输入电流纹波限定在电感电流　的１０％以内，由伏秒平衡的关系，可求得：　１０　Ｘ，％　／２　Ｐ　×一　…　…　（４）　实际电路中，取３６０　ＩｘＨ。　输出滤波电容主要考虑技术指标对于保持时间以　及输出低频纹波的要求：　Ｃ＞赤上（　（ｔｏｔ）一Ｉｏ）　（５）　实验中本研究采用两个４７０　ｉｘＦ／４５０　Ｖ的电容并　联的结构。　４　实验结果　根据电路工作原理和设计过程，本研究制作了一　台１．２　ｋＷ的实验样机。交流输入电压范围为８５～　２６５　Ｖ，直流输出电压为４００　Ｖ，单路开关频率为　６５　ｋＨｚ。两路ＭＯＳＦＥＴ的驱动控制信号如图７所示，　互相错开１８０。，为使ＭＯＳＦＥＴ更加可靠关断驱动电路　加入了３　Ｖ负压。２３０　Ｖ输人满载工作时的输入电流　波形如图８所示。输入电压２３０　Ｖ时电路由轻载到满　载的变换器效率、输入电流畸变率以及输入电流功率　因数曲线如图９所示。可见使用了ＣｏｏｌＭＯＳ的交错　并联Ｂｏｏｓｔ　ＰＦＣ最高效率可达到９７．３％。稳态工作　时，输入电流能够很好地跟踪输人电压形成近似正弦　波，使功率因数接近１。４００　Ｗ以上工作点，ＴＨＤ均在　（下转第１０２页）　・１０２・　机　电　工　程　第２７卷　（上接第９Ｏ页）　５％以下，满足了ＩＥＣ６１０００—３—２　ＣＬＡＳＳ　Ｄ谐波标准。　１』　，　１　通过分析交错并联电路的工作特性，提出了交错并联　峰值控制方式，并对电流闭环进行了分析；给出了关键　上　誊　【　Ｉ　　ｌ，　—＇　点　．＇　，－　参数的设计方法，并研制了试验样机。实验结果表明　该ＰＦＣ电路具有控制简便，功率因数高等优点。　参考文献（Ｒｅｆｅｒｅｎｃｅｓ）：　ｔ／（５ｍｓ／ｔ￣）　ｌ　Ｕ　Ｊ　ｌ　ｔ／（５　ｓ，格）　林渭勋．现代电力电子技术［Ｍ］．杭州：浙江大学出版社，　２００６．　图７驱动波形　９８　０％　图８输人电流波形　［２］　李晓明，吕征宇．基于ＤＳＰ的单相Ｂｏｏｓｔ型数字ＰＦＣ控制　技术［Ｊ］．机电工程，２００８，２５（１）：１０８—１１０．　ｇｈ　ｅｆｉｆｅｉｅｎ—　［３］　ＭＩＷＡ　Ｂ　Ａ，ＯＴｒＥＮ　Ｄ　Ｍ，ＳＣＨＬＥＣＨＴ　Ｍ　Ｆ．Ｈｉ９７　Ｏ％　９６　０％　９５　０％　９４　０％　／　ｃｙ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　ｕｓｉｎｇ　ｉｎｔｅｒｌｅａｖｉｎｇ　ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ　９３　０％　０　２　０　４　０　６　０　８　ｌ　０　ｌ　２　［Ｃ］／／Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ　ｏｆ　ＡＰＥＣ’９２，１９９２：５５７—５５８．　Ｐ　ｊｋＷ　（ａ）变换器效率曲线　［４］　ＰＩＮＨＥＩＲＯ　Ｊ　Ｒ．ＧＲＵＮＤＬＩＮＧ　Ｈ　Ａ．ＶＩＤＯＲ　Ｄ　Ｌ　Ｒ，ｅｔ　ａ１．　Ｃｏｎｔｒｏｌ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｏｆ　ａｎ　ｉｎｔｅｒｌｅａｖｅｄ　ｂｏｏｓｔ　ｐｏｗｅｒ　ｆａｃｔｏｒ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ　７　５％　６　Ｏ％　ｆ　１％　＾，一　’　４　５％　３　Ｏ％　ｌ　Ｌ　＼，．　０　９９％　ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｃ］／／Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，　１９９９．ＰＥＳＣ　９９．３０ｔｈ　Ａｎｎｕａｌ　ＩＥＥＥ．１９９９：１３７—１４２．　０　９８％　０　９７％　０　９６％　Ｏ　９５％　｝　［５］　何ｒ　］　亮，方字，李吉，等．峰值电流控制ＤＣ／ＤＣ变换器　１　５％　０　Ｏ％　０　２　０　４　０　６　０　８　１　０　１　２　尸，ｌ（Ｗ　。　的恒值限流方法［Ｊ］．电工技术学报，２００６（１０）：８６—８９．　０．２　Ｏ　４　０．６　０　８　１　０　１　２　（ｂ）输入电流ＴＨＤ　，Ｊ。　／ｋｗ　（ｃ）输入电流ＰＦ　Ｌ　ｊ　奚轶芳，钱照明，杨水涛，等．光伏发电系统交错并联　ＢＯＯＳＴ的研究［Ｊ］．机电工程，２００８，２５（１０）：４９—５１．　［７］　ＴＳＡＩ　Ｊ　Ｒ，ＷＵ　Ｔ　Ｆ，ＣＨＥＮ　Ｙ　Ｍ，ｅｔ　ａ１．Ｉｎｔｅｒｌｅａｖｉｎｇ　Ｃｏｎｔｒｏｌ　图９不同输入功率下的各曲线　Ｓｃｈｅｍｅｓ　ｆｏｒ　Ｃｒｉｔｉｃａｌ—Ｍｏｄｅ　Ｂｏｏｓｔ　ＰＦＣ［Ｃ］／／Ｐｏｗｅｒ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎ—　５　结束语　本研究从提高交错并联ＢｏｏｓｔＰＦＣ控制效果出发，　ｉｃｓ　Ｓｐｅｃｉａｌｉｓｔｓ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ．２００７：２９０５—２９１１．　［８］　徐德鸿．电力电子系统建模及控制［Ｍ］．北京：机械工业　出版社，２００５．　［编辑：张翔］