一种图腾柱PFC的控制方法及Simulink仿真

姚瑞，邓武

(1.大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连 116028；2.大连交通大学 软件学院，辽宁 大连 116028)

一种图腾柱PFC的控制方法及Simulink仿真

姚瑞1，邓武2

(1.大连交通大学 电气信息学院，辽宁 大连 116028；2.大连交通大学 软件学院，辽宁 大连 116028)

针对图腾柱PFC主电路的开关器件控制，提出了一种新的控制方法，目的是有效控制图腾柱PFC主电路，实现降低谐波含量和提高功率因数.该控制方法基于PWM跟踪控制的思想，且使用了曲线拟合的方法，实现了在不同的电源电压下稳压输出的功能.为了验证该控制方法的有效性，使用MATLAB的Simulink仿真工具，搭建主电路和控制电路模型进行仿真.对仿真得出的电流波形进行FFT分析，结果显示，使用该控制系统的图腾柱PFC理论上能够得到很好的电气性能.

图腾柱PFC；PWM跟踪控制；曲线拟合；仿真

0 引言

随着开关电源的大量使用，开关电源的转换效率和谐波污染已成为不可忽视的问题.功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)能够降低电源侧的电流总谐波失真(Total Harmonic Distortion，THD)和无功功率，从而达到提升电能质量和节能的目的.因此对PFC的研究具有重要的实际意义和可观的经济效益.图腾柱拓扑结构是目前已知的PFC拓扑结构中，使用器件最少的，同时共模噪声低，具有良好的应用前景.

文献[1]使用UltraFast IGBT，实现了电流连续导通模式(Continuous Conduction Mode, CCM)的图腾柱PFC，采用平均电流控制，说明CCM图腾柱PFC是可行的.文献[2]提出了占空比预测无桥数字PFC控制算法，比平均电流控制效果更优.文献[3]提出了一种运用现有传统临界电流(Critical Conduction Mode, CRM)Boost PFC控制芯片UC3852的控制方法，不如CCM效果好.文献[4-5]仍然使用CRM平均电流控制方式，但是对图腾柱拓扑做了改进，使用了交错并联技术，达到了比较好的效果，但是多用了电感.文献[6]对标准图腾柱拓扑和交错并联图腾柱拓扑做了实验，电流CRM的情况下，标准图腾柱拓扑效果不理想.

本文的控制方法针对标准图腾柱拓扑，较交错并联图腾柱拓扑没有增加额外的器件；使用CCM，较和CRM有更低的THD，更高的功率因数；使用跟踪滞环控制，控制过程简化.

1 图腾柱PFC拓扑原理[1]

本节对图腾柱PFC拓扑的原理进行简要分析.图腾柱PFC在交流电源正半周期和负半周期都相当于Boost电路，因此输出电压要大于输入电压.

图1为图腾柱PFC拓扑结构.

图1 图腾柱PFC拓扑结构

S1，S2为MOSFET，D1，D2为二极管，L1，C0，R0分别为电感，电容，电阻.在交流电正半周期，当S1打开，交流电通过电感、S1、D2，对电感充电，相当于电感直接接在电源上，电感电流上升.

当S1关断，交流电通过S1的体二极管、R0、C0、D2形成回路，电感L1和电源AC对电容C和电阻R放电，因输出电压高于电源电压，电感L1电流下降.

在正弦交流电正半周期S2、S1的体二极管交替导通，D2持续导通，D1持续关断.交流电负半周期的工作状态和正半周期类似，只是交替导通的器件为S1、S2的体二极管，D1持续导通，D2持续关断.

2 控制系统原理

本节介绍控制系统，先阐述控制方法，再阐述在不同输入电压下，稳定输出电压的方法.

2.1控制方法

该控制方法的主要思想为PWM跟踪控制，即电源电流跟踪和电源电压同相位的正弦信号，并且使用误差控制，即参考电压减去输出电压.输出电压的纹波峰峰值约为10 V，求误差e时纹波不会缩小，这与幅值1的正弦相乘时会带来很大干扰，会影响被控制的电源电流，使校正效果变差，甚至会造成失控.在控制环节使输入电压信号通过低通滤波器可以极大地减小纹波.

设低通滤波器的输出为el.el相当于直流，须和电源电压同相位的正弦信号相乘，电源电流才可以跟踪el.

在交流电源正半周期，将乘法环节输出减去电源电流的差值，送入滞环比较，当差值为正，说明电源电流小于参考信号，需要增大，当差值增大到环宽的上限时，滞环输出1，控制S2开通，电源电流开始正向增加；同理，当参考信号减电源电流的差值超过滞环的下限时，滞环输出0，S2关断.如此循环，电源电流围绕参考信号在滞环限制的范围内变化，滞环宽度越窄，电源电流波形越逼近正弦，功率因数提高，谐波含量降低.

在交流电的负半周期，如果不加处理，滞环比较的逻辑与交流正半周期相反, 因为S1开通时，电流反向增大，数值上减小；S1关断时，电流反向减小，数值上增大.可将输入滞环的信号取绝对值，统一逻辑，简化控制.控制系统产生的信号在电源正半周期控制S2，负半周期控制S1.

2.2基于曲线拟合的输出稳压

在研究中发现，当参考电压固定，电源电压变化时，输出电压也随之变化，它们之间的相互关系如表 1所示，可以看出输出特性较差.

表1 参考电压420时不同电源电压下的输出电压

为了稳定输出电压，使用曲线拟合的方法，根据输入电压求参考电压.先进行以下仿真实验：在不同电源电压下，改变参考电压，使输出电压稳定在400 V，设电源电压为x，参考电压/400为y，通过仿真得出6组数据，如图2.

图2 数据坐标图

由图 2，根据图像走势，尝试用反比例函数进行拟合.选取模型的表达式为：

该模型相当于反比例函数平移，更加符合实际.使用MATLAB曲线拟合工具箱进行拟合，拟合结果如表 2所示.

表2 拟合结果

根据电源电压求参考电压的表达式为

(2)

3 图腾柱PFC主电路参数计算

本节介绍图腾柱PFC主电路在Simulink中的模型，及主电路元件参数计算.

电感的计算公式[7]：

(3)

式中，D为占空比；Vout为输出电压，取400 V；Vin_min为输入电压最小值，取40 V；Pout为输出功率，取1 500 W；Fsw为开关频率，取100～200 kHz.经计算，L取500 uH.

电容的计算公式[7]：

(4)

式中，tholdup取50 Hz正弦交流电的一个周期，0.02s；fline为交流电频率；Vripple为纹波的峰峰值，取10 V.经计算，C取1 250 uF.

电阻的计算：

Vo=400 V，Po=1 500 W，电阻值约106 Ω.

4 仿真结果及分析

本节给出仿真模型及仿真结果，通过对结果的分析来验证控制系统的控制性能.采用了3个不同的输入电压来验证稳压效果,如图3、4所示.

控制的效果主要通过主电路输入输出的指标来评价.PFC必须满足：①功率因数接近1；②THD≤5%；③效率高(参考80PLUS标准).针对本文使用的Simulink模型，在计算时，使用纹波的峰峰值为10 V，实际应不大于10 V.以上指标的验证选取输入电压220 V.另外，不同电源电压下应当稳定输出400 V.

图3 控制系统的 Simulink模型

图4 图腾柱PFC主拓扑的Simulink模型

4.1稳压效果验证

表3为不同输入电压下的输出电压，可见不同输入电压下可以稳定输出400 V.输出电压有一定误差，但可以忽略不计，若要进一步减小误差，可以提高被拟合数据的精确度，或者选取更好的数学模型.

表3不同输入电压下的输出电压V

输入电压输出电压100400．2150400．2200400．1

4.2负载侧电压分析

由图 5可知，电压在仿真时间内，迅速稳定，并在400上下浮动.电源电压220 V时，输出仍为400V.纹波峰峰值≤10 V.

(a) 负载电压完整波形

(b) 负载电压局部波形

4.3电源侧电流分析

图6为电源电流波形图，由图6(b)可以看出，0.22 s为电流一个周期开始，0.24 s为电流一个周期结束，电流相当于初相为0，频率为50 Hz的正弦波，输入的正弦电压也是初相为0频率为50 Hz的正弦波.可以定性地得出功率因数接近1，将用FFT定量分析功率因数.

(a) 电源电流完整波形

(b) 电源电流局部波形

对电源电流稳定后的波形进行FFT分析，结果如表 4所示.其中基频50 Hz的相位为0.1°，cos 0.1gt;0.999，功率因数非常接近1.THD=4.63%lt;5%，谐波含量满足要求.

表4 稳定后的电源电流FFT分析结果

输入功率为220×6.936= 1 525.92 W，实际输出功率400.5×400.5÷106=1513.21 W，效率为1513.21÷1 525.92=0.991 7≥0.98，效率满足要求.

5 结论

针对图腾柱PFC，本文提出一种控制方法，使用Simulink进行仿真，仿真得出的THD、功率因数和效率都达到了较高的标准；在不同的电源电压下，输出都可以稳定在400 V；输出的直流电压有较小的纹波，整套系统输入输出特性良好.理论上证明了控制方法的正确性和高效性.

控制方法实现系统稳压时，使用了数学建模的方法，将非线性的电力电子电路简化为输出电压400 V下的电源电压—参考电压模型，使用曲线拟合，实现了输出稳压.

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AControlMethodofTotem-PolePFCandItsSimulinkSimulation

YAO Rui1, DENG Wu2

(1. School of Electronics and Information Engineering, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China; 2.Software Institute, Dalian Jiaotong University, Dalian 116028, China)

Focused on the control of switching devices in totem-pole PFC′s main circuit, a new control method is presented. The purpose of the method is to effectively control totem pole PFC main circuit, achieve reducing total harmonic distortion and improve the power factor. The control method is based on the PWM tracking control, and the curve fitting method is used to stabilize output voltage under different supply voltages. In order to verify the validity of the control method, the main circuit model and control circuit model are built with MATLAB/Simulink, then simulated and finally conducted FFT analysis of the current waveform. Results show that the Totem-pole PFC using the control system can get good electrical performance theoretically.

Totem-pole PFC; PWM tracking control; curve fitting method; simulation

1673- 9590(2017)06- 0111- 04

2017- 04-28

姚瑞(1991-)，男，硕士研究生;

邓武(1976-),男，教授，博士，主要从事智能优化与信息处理、智能诊断的研究

E-mail12634293@qq.com.

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