单相PFC输出母线电压波动抑制与脉动功率转移技术

任玉虎，马凯莉，王慧馨，王正仕

（1.浙江大学电气工程学院，杭州310027；2.驻马店市供电公司，驻马店 463000）

单相PFC输出母线电压波动抑制与脉动功率转移技术

任玉虎1，马凯莉2，王慧馨1，王正仕1

（1.浙江大学电气工程学院，杭州310027；2.驻马店市供电公司，驻马店 463000）

采用电解电容抑制单相功率因数校正PFC（power factor correction）输出母线电压波动的方式受到电解电容本身寿命短、体积大等因素限制，难以做到高功率密度以及长时间稳定性。因此，提出一种采用双向升降压电路实现输出母线功率解耦的策略，从而可移除母线处的电解电容。详细分析了解耦电路的基本工作状态，并基于相关参数的设计考虑提出一种新型控制方案，在双闭环的基础上引入输出母线电压波动加权控制,进一步增加在功率解耦支路与输出母线之间转移的脉动功率，减小母线电压纹波，实验结果验证该电路及控制方案的有效性。

单相PFC；功率解耦；输出母线电压波动加权控制

在交流供电场合，功率因数校正PFC（power factor correction）电路普遍应用在电力电子装置中，以满足IEC61000-3-2的谐波要求[1]。在单位功率因数下，输入瞬时功率包含直流分量与2倍工频脉动分量[2]，一般输出侧带有恒功率负载，为了实现输入瞬时功率与输出功率的解耦，通常采用大容量、低成本的电解电容并联在直流母线上。然而，电解电容由于其寿命短、稳定性差等缺点成为制约电力电子设备整体寿命的主要因素。因此，针对如何减小输出母线解耦电容而以使用寿命更长的薄膜电容替代，国内外诸多学者均展开了相关研究。

文献[2]提出一种降压型双向DC/DC变换器，用于实现单相PWM整流电路的功率解耦，在输入功率15 kW、输出电压纹波2.59%的情况下，经过功率解耦可将输出母线电容减小至200 μF，功率密度提高1倍，但该电路结构并不能直接控制功率解耦支路吸收的纹波电流；文献[3-7]采用一种升压型双向DC/DC变换器作为直流母线上的功率解耦单元，并针对其应用场合提出了相应的控制方案；文献[8]采用双向全桥DC/DC变换器吸收脉动功率，但该电路所需的功率器件较多，成本较高。

本文在700 W单相Boost PFC电路基础上，采用双向升降压变换器并联在直流母线上实现功率解耦，通过双闭环控制解耦支路电流跟踪母线上纹波电流，使解耦支路电容电压在合理范围内波动。为了进一步减小母线解耦电容、抑制母线电压波动，引入输出母线电压波动加权控制，并实验验证了该控制策略的可行性。

1 电路结构及基本工作原理

具有功率解耦功能的单相Boost PFC电路如图1所示，其主要输入输出波形如图2所示。对于功率解耦原理介绍如下。

图1 具有功率解耦功能的单相Boost PFC电路Fig.1 Single-phase Boost PFC circuit with power decoupling function

图2 单相Boost PFC电路主要输入输出波形Fig.2 Key waveforms of input and output of singlephase Boost PFC

根据文献[2-4]的研究结果可知，当功率解耦支路没有运行时，流过输出电容Co的脉动电流可表示为

式中：ps（t）为输入瞬时功率；Po和 pripple分别为输入瞬时功率的直流分量和脉动分量。其中，

式中：Um、Im分别为输入电压、输入电流的幅值；ωs为输入电压角频率。当控制功率解耦支路电感上电流平均值等于iripple时，母线电容上的电流为0，从而实现功率解耦的功能，减小母线电容并抑制母线电压纹波。

功率解耦支路电感电流和电容电流波形如图（3）和图（4）所示。 当 iripple＞0 时，功率解耦支路工作在Boost模式，S2关断，S1处于 PWM 调制状态。S1导通时，电感Lr储能；S1关断时，Lr释能，直流母线脉动能量转移到功率解耦支路电容Cr上，电容Cr电压上升。当iripple＜0时，功率解耦支路工作在Buck模式，S1关断，S2处于PWM调制状态，电容Cr向直流母线回馈能量，电容Cr电压下降。

图3 功率解耦支路电感电流波形Fig.3 Inductor current waveforms of power decoupling branch

图4 功率解耦支路电容电流波形Fig.4 Capacitor current waveforms of power decoupling branch

忽略Lr上的储能以及功率器件的损耗，脉动能量完全转移到电容Cr上，因此有

式中，VCr_H、VCr_L、VCr和 ΔVCr分别为电容 Cr上电压的最大值、最小值、平均值和峰峰值。为了减小功率解耦支路的开关损耗，可使电路工作在电感电流断续模式，即 t1+t2≤Ts（Ts为功率解耦支路开关周期），则有

另外，Lr的选择还要考虑最大电感电流Ipk的限制，即

因此可以得到Lr的最小限制条件为

2 功率解耦支路的控制策略

图5为功率解耦支路的控制框图，电路的主要控制目标是使电感Lr的电流iLr跟踪纹波电流iripple，同时，引入电容Cr电压闭环，控制电容电压的平均值。由于输出母线电压的波动直接受流过电容Co的纹波电流影响，因此将这一波动量引入控制系统。根据图2所示的iripple与直流母线电压Uo之间的相位关系，可以得到输出电压外环极性判断规则，即

其最终结果是使纹波电流参考增大，从而功率解耦支路与直流母线间转移的脉动能量增加，电容Co所处理的能量减小，母线电压波动也随之得到抑制。

图5 功率解耦支路控制框图Fig.5 Control block diagram of power decoupling branch

3 实验结果

表1为实验电路的关键参数。由于实际中难以将纹波电流完全转移到功率解耦支路中，因此直流母线上仍并联一个较小的电容Co来解耦剩下的脉动功率。功率解耦支路正常工作时，电容Cr上的电压要始终大于直流母线电压Uo，同时，为了尽可能地减小Cr，允许其有较大的电压波动ΔVCr，根据式（5）可知，当 VCr=600 V、ΔVCr=100 V 时，Cr=35 μF，取为33 μF。

图（6）～图（8）为电路的主要输出波形，为了便于观测输出电压Uo的纹波ΔUo，采用交流耦合测量。从图中可以看出，在不加功率解耦支路、直流母线电容为100 μF情况下，输出电压纹波的峰峰值为60 V；双闭环控制下的功率解耦支路运行时，直流母线电压峰峰值为19 V；加上直流母线电压波动加权控制，其峰峰值减小为10.5 V。由此，采用本文所提出的功率解耦控制方法，输出母线电压纹波仅为原来的1/6，在减小母线电容的同时，显著地抑制了直流母线输出电压波动。

表1 实验电路关键参数Tab.1 Key parameters of experimental circuit

图6 不加功率解耦支路的主要波形Fig 6 Key waveforms without power decoupling branch

图7 双闭环控制下的主要波形Fig.7 Key waveforms of dual closed-loop control

图8 直流母线电压波动加权控制的主要波形Fig.8 Key waveforms with weighted bus voltage fluctuation control

图6～图8中VCr、ILr分别为功率解耦支路电容电压与电感电流波形。当ILr大于0时，脉动能量从直流母线电容经过电感Lr转移到电容Cr上，电容Cr电压升高；当ILr小于0时，电容Cr电压下降，脉动能量从Cr上转移到直流母线。Cr的电压波动约为85 V，平均值为600 V。加上输出电压波动加权控制后，功率解耦支路电感电流与电容电压波动都随之增加，Cr的电压波动约为100 V，平均值为610 V，也即在功率解耦支路与直流母线之间转移的脉动能量变大，输出电容Co中纹波电流的低频分量变小，直流母线电压波动也随之减小。

4 结语

本文针对具有功率解耦功能的单相PFC电路中输出母线并联的双向升降压电路，分析了其基本工作原理，并给出DCM工作状态电路关键参数的选择方法，最后提出了一种新的控制策略，在双闭环的基础上引入输出母线电压波动加权控制，显著减小了母线电压纹波以及母线并联电容容值，从而可以用薄膜电容替换电解电容，延长电路的整体寿命。最后搭建了700 W的实验样机，验证了所提出的控制策略的有效性。

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[6]Kyritsis A C,Papanikolaou N P,Tatakis E C.Enhanced current pulsation smoothing parallel active filter for single stage grid-connected AC-PV modules[C].Power Electronics and Motion Control Conference,2008.EPE-PEMC 2008.13th.IEEE,2008：1287-1292.

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Technology of Single-phase PFC Output Bus Voltage Fluctuation Suppression and Ripple Power Transfer

REN Yuhu1,MA Kaili2,WANG Huixin1,WANG Zhengshi1
（1.College of Electrical Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China;2.Zhumadian Power Supply Company,Zhumadian 463000,China）

It’s hard to achieve high power density and long time stability using electrolytic capacitors to suppress single-phase power factor correction（PFC） output bus voltage fluctuation.A strategy adopted a bidirectional Boost/Buck converter to decouple the power of output bus was proposed to remove the electrolytic capacitor.The basic working status of power decoupling circuit was analyzed in detail,the relevant parameters were given consideration,and a new control scheme introduced the weighted output bus voltage fluctuation control on the basis of double closed loop was proposed to further increase transferred ripple power between power decoupling branch and output bus,reduce bus voltage ripple.Experiment results are presented to verify the effectiveness of the circuit and control scheme.

single-phase PFC;power decoupling;weighted output bus voltage fluctuation control

任玉虎

任玉虎（1992-），男，硕士研究生，研究方向：双向 AC/DC、DC/DC 变换器，E-mail：re nyuhu_2013@163.com。

马凯莉（1987-），女，硕士研究生，研究方向：开关电源和光伏并网逆变器相关，E-mail：Makl_ee@126.com。

王慧馨（1992-），女，硕士研究生，研究方向：开关电源相关，E-mail：2522927925@qq.com。

王正仕（1965-），男，通信作者，博士，副教授，研究方向：新型高性能DC/DC变换器、逆变器的先进数字控制、电动汽车与新能源中电能变换与应用，E-mail：wzs@zju.edu.cn。

10.13234/j.issn.2095-2805.2017.4.178

TM46

A

2015-11-26

浙江省公益性工业技术应用研究计划资助项目（2015C31121）

Project Supported by Zhejiang Province Public Welfare Technology Industrial Research Project（2015C31121）