一种单周期控制模式三相四线PFC电路的设计与实现

孙奉娄，王永祥

(中南民族大学电子信息工程学院，武汉430074)

单相APFC技术比较成熟，并且有专用的控制芯片，在中小功率的场合下，有着广泛的应用.但是随着功率的增大，单相APFC的输入电流及纹波都很大，限制了单相APFC的应用，因而近年来，三相APFC成了研究的热点.在没有专用的控制芯片产生前，如果将现有的成熟的单相APFC并联成满足要求的三相APFC变换器，不失是一个好方法［1］.Boost结构的电感在输入的前端，可以大大减少输入电流的纹波，决定了这种拓扑在APFC中的广泛应用.文献［2］提出了一种三相APFC拓扑，即3个单相APFC的电路后面都是用了一个隔离的DC/DC回路，再并联输出.这种拓扑的元器件使用很多，增加很多成本，体积重量也增加不少.文献［3］将3个单相APFC的输出直接并联后经过一个DC/DC电路，如果在回路上作相应的解耦，这种结构将更加简单、实用.本文将3个单相APFC电路经过简单解耦后的输出直接并联，从而_实现了一种三相APFC.

1 主电路拓扑结构

如何对电感解耦是三相APFC中的主要问题.传统的Boost APFC三相四线并联的方法，开关在通断过程中使输入电流产生较大的畸变.现分析A，B两相，电路如图1(a)所示.

以A相位为例，当开关断开时，电流路径为A，D1，La，Da，RL，D4 到 N，或者由 A，D1，La，Da，RL ，D8到N两条路径，多了后者一条路径，如图1(a)中回路1所示;同理，开关开通，电流会经过A，D1，La，Sa，D4 到 N，或者由 A，D1，La，Sa，D8 到 N，耦合到了后者的通路，如图1(a)中回路2所示.

针对以上耦合问题，将一个主电感分为两个电感串联在主回路中，降低开关关断时电路间的耦合，增加一个功率二极管阻止开关管导通时电路间的耦合.如图1(b)所示，以A相为例，当开关开通时，由功率二极管Da2反向作用，电流只存在一个路径，即 A，D1，La1，Sa，D4.但开关关断时，虽然仍存在两个路径，但是由于电感Lb2的作用，可以大大降低电路之间的耦合.

图1 传统的并联结构(a)和解耦后的并联结构(b)Fig.1 (a)traditional parallel structure，(b)decoupled parallel structure

2 单周期控制基本原理

单周期控制模式应用在PFC中，将输入电压的信息包含在电感电流中，只要采样电感电流而不需要对输入电压进行采样，这种控制方法使得PFC的设计更加简便.

在开关周期恒定为T时，开关函数可表示为:

开关S的输入量x(t)与输出量y(t)可表示为:

设D(t)=Ton/T为占空比，Ton为开关导通时间，当开关频率远远大于输出量y(t)的频率时，那么一个开关周期T内，输出值可近似不变，则输出y(t)的平均值可表示为:

从式(3)可知，若控制D，使得即每个开关周期中，输入量x(t)在导通时间Ton内的积分值，与参考量VVEF在该周期T中的积分值相等，则可以实现每个开关周期的输出量的平均值等于参考量的平均值，也即是单周期控制的核心思想.

如何使电路的输入电流Iin的工频波形跟随全波整流后的输入电压Vin波形的同时，能够保持输出电压Vo的恒定是单级功率因数校正的目的.此时变换器表现为纯电阻性，设其等效电阻为Re，有:

Boost变换器的输入Vin，输出Vo，占空比D的关系式为:

由式(4)，(5)得:

其中，占空比D=Ton/T，RS是输入电流的等效检测电阻.

定义VoRS/Re=Vm控制电压，则有:

构造控制方程组:

企业或施工项目部应将符合“师傅”条件的人员情况向新员工进行详细介绍，并通过在一起工作生活一定时间段（可暂定一个月）进行进一步了解，让新员工自主选择师傅，本着双方自愿的原则结对，并签订“以师带徒协议书”，明确双方责任、学习培养内容及目标。培养期限为一年，培养期满后企业通过笔试和面试的方式考核“徒弟”是否学成出师。在带徒期间，企业应给“师傅”一定的带徒补助，以提高其“传、帮、带”的积极性和责任心。

V1(t)和V2(t)的比较即可确定占空比D，可见单周期控制需要一个核心器件——积分器.

3 IR1150单周期控制基本原理

IR1150是单周期控制芯片，不需要对电网电压进行取样，其内部结构框图如图2所示，它采用双环控制，外环为电压环，内环为电流环.输出电压经过分压网络采样接到6脚VFB，也即内部电压放大器的反向输入端，反馈电压与参考电压VREF比较得到控制电压Vm.Vm一路与3脚电流采样端经过运算得到V1(t);另一路经过误差放大器构成的带有复位开关的积分器得到三角波V2(t).两者再经过比较器，确定占空比，其输出经过触发器得到开关的控制脉冲和积分器的复位信号.

图2 IR1150内部结构框图Fig.2 IR1150 block diagram

设电感电流比例量为VSNS=RS IS，电流检测放大器的增益为Gca，由(8)可知开关管关断的条件为:积分器输出电压即:

由Boost输入输出的关系(5)，联立(9)得:

可见，在输出电压Vo和控制电压Vm不变时，电感电流检测电压VSNS与输入电压Vin成正比，也是正弦波，按照单周期控制方式，不需要检测AC的输入电压.

4 基于Matlab的三相PFC Boost主电路和控制器的建模

三相PFC Boost主电路框图结构如图3所示.每个单相APFC的控制模式为单周期控制.

图3 三相PFC Boost主电路仿真框图Fig.3 Simulation diagram of three-phase PFC Boostmain circuit

根据 IR1150内部积分控制器的原理，基于Matlab SMULINK 建立单周期控制器仿真模型［4，5］，如图4所示.IR1150采样电压与参考电压比较，两者的偏差经过低通滤波器，PID调节器及饱和积分器得到调制电压Vm，电流检测电阻Rs上的取样电压VRs为负值，与调制电压Vm相加得到比较电压V2，调制电压的积分Vint与V2的偏差经过记忆器和比较器得到RS触发器的复位信号.触发器Q输出信号用来驱动MOS管，Q非作为积分器的复位开关信号.其中饱和积分器上线限设置为12V，－12V.滤波器传递函数设置为

5 仿真结果分析

仿真结果如下.图5显示三相输入电流的波形与A相输入电压，为了方便显示，输入电压衰减了20倍.图6为输出直流电压波，进入稳态后的直流电压的平均值为400V.

仿真表明，交流输入电流良好的跟踪交流输入电压，输出电压稳定.利用Discrete Active模块对A相交流输入电流进行测量计算得，交流侧电流THD为 3.18%，功率因数为 0.9989.

图4 PFC BOOST单周期控制器仿真模型Fig.4 Single-cycle simulation model of PFC BOOST controller

图5 三相输入电流和A相输入电压波形Fig.5 Waveform of three-phase input current and A phase input voltage

图6 输出电压波形Fig.6 Output voltage waveform

6 实验电路波形

根据上述理论，制作相关电路.并应用于微弧氧化脉冲电源的前级，元器件的取值与仿真参数基本相同，各相分立的2个电感为200μH，输出滤波电容为3个470μF的并联，输出380V.

图7 A相输入电压与电流波形Fig.7 A phase input voltage and currentwaveform

A相输入电压与输入电流波形如图7所示，B相和C相的输入电压与输入电流波形与A相的波形相似.可见各相电流波形能够准确地跟随相应输入电压的波形，起到功率因数调节的作用.

图8 A，B相输入电流波形Fig.8 A，B phase input currentwaveform

A，B相电流如图8所示.3个控制器采用同一个输出电压采样网络，通过调节IR1150电压补偿网络，能使得各相输出外特性比较一致.B，C相电流波形与图8相似.可见，各相电流值基本接近，有很好的均流效果.图9为输出电压波形，开机过冲低于400V，稳态输出在380V左右，起到很好的预稳压效果.

图9 输出电压波形Fig.9 Output voltage waveform

7 结语

本文利用成熟的单相APFC结构并联而成一种三相APFC.通过仿真和实验验证了这种结构的可行性，其结构简单可靠，将其应用在一种微弧氧化脉冲电源的前级输入，取得了良好的应用效果.

［1］鲁志本，贲洪奇.基于并联技术的三相功率因数校正方法研究［J］.电源技术应用，2007，12(7):7-11.

［2］Fernando Briz，Alberto Diez，Michael W Degner.Current and flux regulation in field-weakening operation［J］.IEEE Trans on Indus，2001，37(1):42-51.

［3］Spiazzi G，Lee FC.Implementation of single-phase boost PFC circuits in three-phase applications［J］.IEEE Transactions on Industrial Electronics，1997，3(44):365-371.

［4］浦锡锋，王宏华.基于 Matlab的单周期控制 PFC Boost变换电路建模与仿真［J］.电气技术与自动化，2007，36(6):145-147.

［5］林 飞，杜 欣.电力电子应用技术的MATLAB仿真［M］.北京:中国电力出版社，2009.