单周期控制的三相PFC技术研究

黄冠 万里

（1、西南交通大学,四川 成都 610000；2、成都电业局，四川 成都 610000）

1.引言

单周期控制是一种非线性控制技术，该控制方法的突出特点是:无论是稳态还是暂态，它都能保持受控量(通常为斩波波形)的平均值恰好等于或正比于给定值，即能在一个开关周期内，有效的抵制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，这种控制技术可广泛应用于非线性系统的场合，比如脉宽调制、谐振、软开关式的变换器等[2-5]，为达到理想的功率因数校正的目的，本文研究了一种基于单周期控制的三相三开关PFC电路，并根据分析所得，对电路进行了建模和仿真。仿真结果给出了输入电流与输入电压的波形，并分析了不同情况下对输入电流的影响。根据电路原理以及电路仿真，搭建了1KW的实验装置，对实验波形进行了分析。

2.功率因数校正电路的分析

在三相电源领域中，人们提出了许多的电路拓扑结构和控制方法。本章给出了一种基于单周期控制的三相三开关PFC电路。重点分析了其工作原理与采用的控制方式，并通过实验和仿真验证其正确性。图一包括三个输入boost电感L1～L3，工作于电流连续导电模式（CCM），其中6个MOS开关器件及6个二极管等效构成三个双向开关[6]。由于三相电路的对称性，电容中点电位UN与电网中点电位UO近似相等，因此通过控制三个双向开关的通断可分别控制相应相的电流。开关合上时相应相的电流幅值增大，开关断开时相应桥臂上的二极管导通 (电流为正时，上桥臂二极管导通；电流为负时，下桥臂二极管导通)，在输出电压作用下电感中电流减小，从而实现对电流的控制[7]。

图1

3.单周期控制技术

单周期控制技术的特点就是要保证变换器的输出电压在每一个开关周期内都等于给定参考电压。当给定参考电压为常数时，变换器输出也等效成稳定的直流电源。因此单周期控制技术具有直流输出电压调节性能好的优点。与传统电压反馈控制相比，单周期控制的动态响应快，抗电源干扰能力强，鲁棒性强，适用于恒频恒宽控制，在整流器PFC校正电路中有广泛应用。文献[9]介绍了单周期控制技术在单相Boost PFC和三相Buck PFC的应用。本文把单周期控制技术应用到三相三开关PFC电路中。

由上文讨论可知，三相三开关PFC电路中，其控制方程式可为下式表示：

联系单周期控制技术的原理，可定义积分常数τ=Ts，并用峰值电感电流iLapk,iLbpk,iLcpk代替上式中的ia,ib,ic,故上式可以化为

基于以上理论分析，通过设计适当电路来实现上式的等式关系，即可达到功率因数校正的目的。

4.实验电路的设计

主电路的设计主要包括主开关器件的选用,输入电感的选取，滤波电容的选取等。

系统框图如图4.1所示，本电路的主要技术参数为：输入线电压有效值：100V输入电压的频率为：50Hz；开关频率为：5KHz输出额定功率：1KW；负载电流：3.7A；输出直流电压：275V；本实验所采用的芯片为M57959L。M57959驱动器输入经高速光耦隔离（绝缘强度2500VAC/1min），与TTL兼容。

图2

5.实验与仿真

用PSPICE软件对该电路进行了仿真实验，将所研究的基于单周期控制的三相三开关PFC电路进行了主电路和控制电路的仿真，仿真波形与理论分析结果基本一致。

在原理分析和电路仿真基础上，搭出了本文所研究的三相PFC电路，并进行了相关实验，实验中首先输入线电压为50V，图4为不加驱动信号的输入电流波形，图5为采用单周期控制之后的输入电流波形，可以看出电流波形有明显改善图，图4的电流波形THD为14.45%，图5的电流波形THD为7.895%。

图4 输入电流波形(未加PFC环节)

图5 输入电流波形（加PFC环节）

图6 输入电流波形(未加PFC环节)

图7 输入电流波形(加PFC环节)

图8 锯齿波波形

图9 整流后输入电流反馈

增大输入电压至100V，输出电压为275V，负载为75Ω，图6为不加功率因数校正环节的输入电流波形，图7为加入功率因数校正环节后的输入电流波形。图8为给定锯齿波波形。图9为整流后反馈电流波形。用wavestar软件分析输入电流波形后，可以知道未加功率因数校正环节时，其电流波形THD为32.77%，加入功率因数校正环节后，其输入电流THD为9.188%，比较而言，可知其得到了很大的改善。与仿真实验波形对比来看，实验所得的输入电流THD还比较大，分析而言，主要原因就是因为实验中采用了一系列的磁性元件和电容，在电路高频工作中产生了很多扰动，在实验中，实验的装置结构还不够合理，电路板的抗扰动特性还不是很完善，还有一点就是电网输入相电压的波形本身的THD就比较大，也相应的导致了输入电流的畸变。

结论。提出了一种提出了一种由单周期控制的三相三开关的功率因数校正电路，对其进行了分析、仿真及实验研究，得到了满意的效果。本电路采用了高频工作模式，因此不可避免的带来了一定功率损耗，设计中抗干扰的设计还不是很完善，还有待进一步的改良。综上所述，虽然该电路还存在一些缺点，但是该电路仍然是一种控制简单，功率因数校正效果好的三相整流电路，具有一定的实用价值。

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