新型无桥PFC控制BLDC的研究

陈 晨，张 舒，熊 奇，张兴杰

(浙江工业大学机械工程学院，浙江杭州310014)

0 引言

随着各种电力电子设备(例如变频冰箱)进入到电网中，电网中产生了大量的谐波污染，为了解决谐波污染的问题，目前主要的方法有两种:一种是利用有源或者无源滤波器来增设电网补偿装置，使电力电子装置所产生的谐波得到补偿;另一种是采用PFC 的方法，使电力电子设备得到本质性改进，减少产生或者不产生谐波［1-2］。这两种方法相比较，第一种方法是在谐波产生以后再进行补偿;第二种方法是利用功率因数的校正，抑制谐波的产生，具有非常好的前景。因此，解决电网谐波污染问题的主要方法是采用PFC 技术［3］。

传统的PFC 变换器首先通过DBR 将交流电转化成直流电，再经过PFC 校正电路，但是DBR 的加入使得系统的损耗随着系统功率的增加而增加，并且占具了很大一部分［4-5］。近年来，业界提出了一种没有采用DBR 的PFC(无桥PFC)拓扑结构，这种拓扑结构减少了电路工作过程中电流流通路径上的半导体器件数量，降低了通态损耗，从而提高了系统工作效率［6-7］。因此，将无桥PFC 技术应用到直流无刷电机中具有非常大的创新性，减少相应的硬件带来的损耗，对实现国家节能减排有着可持续发展的战略作用。

本研究针对现有的各种无桥PFC 电路拓扑结构进行改进，提出了一种具有更少的元器件数量和每半个开关周期导通路径上的元器件数量的无桥PFC 拓扑结构，能进一步的降低开关损耗，提高系统效率。

1 新型无桥PFC 拓扑结构原理分析

本研究采用的无桥PFC 的拓扑结构如图1所示。

图1 无桥PFC 拓扑结构

在一个完整的开关周期内，这个PFC 转换器分为两个部分的操作，工作在电源电压的正半周期和负半周期，由开关S1和开关S2来分别控制。在输入电压正半周期，电感L1和二极管D1把能量传递给电容Co，类似地，在输入电压负半周期，电感L2和二极管D2把能量传递给电容Co，在一个开关周期内，这个转换器中的电流以不连续导通的形式传递能量，最后电容Co为负载提供恒定的电压。

在一个完整的开关周期内，PFC 转换器可以分为3 个步骤运行，在输入电压的正半周期，首先，开关S1打开，对电感L1进行充电，电感L1的电流增加，Co电容放电，接着，S1关闭，电感L1所存储的能量转移到电容Co上，直到电感L1完全放电，电感L1上的电流减小至零。最后，电感L1进入非连续传导，即没有能量留在电感L1中，在这个过程中，没有开关和二极管是导通的，电容Co提供能量给负载。在一个完整的开关周期后，开关S1再次打开，重复这个操作。

在输入电压的负半周期，首先，开关S2打开，对电感L2进行充电，电感L2的电流增加，Co电容放电，接着，S2关闭，电感L2所存储的能量转移到电容Co上，直到电感L2完全放电，电感L2上的电流减小至零。最后，电感L2进入非连续传导，即没有能量留在电感L2中，在这个过程中，没有开关和二极管是导通的，电容Co提供能量给负载。在一个完整的开关周期后，开关S2再次打开，重复这个操作。

2 仿真设计

为了使PFC 转换器高效率的工作，需要设计合适的电路参数。对于给定的输入端电源是有效值为220 V的正弦交流电源，那么，其输入端的平均电压为［8-9］:

转换器输出端的电压为100 V ～250 V，这个PFC转换器的电压转换比是:

所以相应的最小和最大的电压转换比是0.335 6和0.558 0。

在这个PFC 转换器中的最关键的影响传导模式的电感L1的电感值为:

式中:R—负载阻抗，D—电压转换比，f—开关频率。为了保证转换器能进入完全的DICM 模式，电感L1和L2的值要小于电感最小临界值的1/10。

对于这个PFC 转换器，供电电压Vi和供电电流Ii以及输入功率如下:

根据输出端电容中电流的二阶谐波量计算出输出端的电容值:

根据输出端电容电流得出输出端电压如下:

对于输出端电容电压的最大值，sin2ωt 取1，因此:

为了不影响输入端电流，需要在输入端设计一个二阶低通LC 滤波器来吸收高阶谐波，最大的滤波电容值为:

式中:Vmax—输入端电压的峰值，Imax—输入端电流的峰值，ωmax—线频率的峰值，θ—输入端电压和电流之间的位移角。

因此LC 滤波器的滤波电感为:

式中:fc—滤波器的截止频率，取PFC 转换器开关频率的1/10，Ls取基本阻抗的4% ～5%为源阻抗:

3 控制算法

为了进一步提高系统的快速性、稳定性，智能控制技术被应用到各种控制系统中。模糊控制技术是智能控制技术中非常常见的一种，但是，模糊控制技术对于消除系统稳态误差的性能较差，很难达到较高的控制精度。同时，PI 控制技术对参数确定的系统具有快速性好、精确度高的特点，而模糊控制具有不依赖于系统模型参数、鲁棒性强的特点，综合两者的特点，采用模糊PI 的控制策略能使输出电压精准快速地达到稳定，具有很好的抗干扰性［10］。

模糊PI 控制有两种形式，为模糊控制与PI 控制分段控制、模糊增益调节PI 控制器。前者是在系统误差比较大时，通过模糊控制，迅速抑制误差，使误差较小到一定范围，然后通过PI 控制，消除其余的系统误差。这种方式只是把模糊控制与PI 控制粗糙的结合，其效果不是非常理想，当系统参数改变后，这种方式往往达不到很好的控制效果。后者利用模糊理论，根据相应的模糊规则和模糊推理来确定PI 控制中的参数，即利用系统误差e(k)以及误差的变化率de(k)/dt 来实时调整PI 控制器的参数Kp、Ki，以得到更加准确的控制参数。

由于PFC 转换器工作于DICM 模式，所以通过采集输出电压来控制开关S1和S2的占空比。

假定输出目标电压为Vo，实际测得的电压为Vt，那么误差电压Ve为:

误差电压Ve通过PI 控制器计算后产生控制输出电压Vc为:

通过比较高频锯齿波Vst 和控制输出电压Vc来产生PWM 的控制信号，控制信号关系如表1所示。

表1 控制信号的关系

系统控制直流无刷电机的原理图如图2所示。

图2 直流无刷电机控制原理图

通过对电机的相位信号来控制VSI 使直流电流供电给三相直流无刷电机。开关管的状态与BLDC 的位置信号的关系如表2所示，其中，电压逆变器的开关S1～S6用‘1’和‘0’来代替开关的‘开’和‘关’，Ha、Hb、Hc表示每一相相对于端子‘O’的电压，用‘1’和‘0’来代替有相电压和相电压为零。

表2 开关管的状态与BLDC 的位置信号的关系

4 实验及结果分析

为了验证理论分析，本研究以220 V，50 Hz 的交流电作为输入电压，输出200 V 直流电压为目标，进行了电路仿真。电路参数如下:滤波电感Lf=1.6 mH，滤波电容Cf= 330 nF，电感L1= 47μH，电感L2=47 μH，输出电容Co=2 200 μF，开关频率=20 kHz。Matlab Simulink 仿真电路图如图3所示，输出电压的波形图如图4所示，电感L1和L2的电流及输入电流的波形对比如图5所示，经仿真进行FFT 分析后对结果，表明PF 基本为1，THD 为3.47%。

图3 仿真原理图

图4 输出电压波形

由图4 可知，输出电压达到200 V 后继续上升，由于模糊PI 的控制，使输出电压下降至200 V 以下后，又缓慢回到200 V 附近并趋于稳定，实现了系统控制的作用。

图5 电感L1 和电感L2 的电流及输入电流

又图5 可知，当输入电压处于正半周期时，由于开关S1的开关，电感L1不断地被充电和放电，电感L1的电流波形呈正弦波的半波，同理，电感L2的电流波形也呈正弦波的半波，输入电流的波形呈完整的正弦波。3 种电路结构的效率如图6所示。

图6 3 种电路结构的效率

通过对图6 的分析，随着输出功率的增大，系统的效率也逐渐增大，采用新型的无桥PFC 技术在输出功率小于250 W 的应用范围内，具有较高的效率。

5 结束语

本研究深入分析了无桥PFC 的工作原理，为了进一步减少导通损耗，提高变频压缩机的系统效率，提出了一种新型无桥PFC 技术。该技术采用DICM 的工作模式和单周期的控制策略解决了整流桥带来损耗的问题，通过模糊PI 的控制算法使输出电压更加快速的达到稳定。通过对VSI 的控制使直流无刷电机转速恒定，并且具有较高的系统效率和较低的功耗。同时运用Matlab Simulink 进行了仿真建模与分析，实验结果验证了理论分析，为改善变频压缩机的实践和应用奠定了理论基础。本研究提出的无桥PFC 技术不仅能应用于变频空调、变频冰箱中，还能应用于智能电网、通信电源、电动汽车等领域，对社会经济的可持续发展具有重要意义。

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