基于平均电流的电压前馈控制图腾柱PFC的研究

邓孝祥，苏本勇

（黑龙江科技大学电气与控制工程学院，黑龙江哈尔滨，150022）

0 引言

图腾柱PFC有着损耗低、结构简单、共模噪声低的优点，随着新型半导体器件氮化镓的发展，使得图腾柱PFC的优点更加明显。新型半导体器件氮化镓和普通硅MOSFET相比，具有开关速度快、封装尺寸小、无反向恢复等优点，可以大幅度提升开关频率，同时保持了良好的效率指标，具有很好的发展趋势。

CCM模式下的平均电流控制的电路由于开关频率固定，且电流跟踪误差小，输入电流谐波含量小，被广泛使用于各种PFC变换器的控制系统中。传统的平均电流控制为双环控制系统，由于电压外环和电流内环的共同存在，导致控制系统对输入电压的突变及负载突变的反映调节能力不够。因此，本文在图腾柱PFC平均电流控制的基础上提出一种电压前馈的控制方案。

1 图腾柱无桥PFC电压前馈控制策略分析

由图腾柱无桥PFC的工作模态分析可以得到图腾柱无桥PFC在每个工作过程可以看作一个单相Boost的工作模式。

当储能开关管导通时，电感L处于储能阶段，得到电路方程为：

储能管关断后，电感L处于释放能量阶段，向负载和滤波电容供电，该阶段的电路方程为：

在电路初始状态，电感电流为零，经过n次开关周期的变换，电感电流由初始 i0到 in。结合公式（2-1）及（2-2），在第n+1次变换时，电感电流初始值为in，占空比为Dn+1，则

Ts为开关管的开关周期。

将式（2-3）代入（2-4）得

从式（2-5）中可以看出，在一个开关周期内可以实现电感电流的与其参考值的跟踪，即

Iavg* 为输入平均电流值的给定。联立式（5），（6）则可得到输出调制波的占空比表达式为

从式（7）可以看出输出调制波占空比中无积分环节的存在，数字控制系统可以大幅度缩减积分环节的运行时间，提高系统控制频率，提高变换器动态响应。同时，为保证输出电压为恒定值调制波占空比表达式与输入电压，输出电压大小都有关系，在输入电压突变信号到来时，控制系统可以快速的调节开关管占空比，及时的调节开关管导通关断时间，避免了由于双环控制系统的积分延时所带来的输出电压不稳及动态响应时间过长的问题。

1.1 主电路设计及仿真验证

为了验证GaN器件能够使图腾柱无桥PFC工作在连续模式，并且能够得到比较高的效率，验证理论分析的正确性，设计PFC电路参数为： 额定输出功率为400W，额定输入电压AC220V（±20%）PFC输出电压DC380V，满载输入电流THD<10%。

为保证输入电流纹波和输出电压纹波在设计要求内，考虑输入电感量取值为2mH,输出电容总容量为200uF。

1.2 双闭环电压前馈控制策略仿真分析

为了验证图腾柱PFC双闭环控制策略的正确性，由双闭环控制策略分析及系统总设计指标，对图腾柱PFC在MATLAB/Simulink下对整个系统进行了仿真验证。在仿真过程中，为方便观测双闭环控制效果，电路中共有输入电压，输入电流与输出电压三个示波器，同时还有POWER GUI模块内的波形质量分析仪。在仿真过程中，为检测在不同输入电压下电路的PFC功能，共进行了三次仿真验证，分别为最低输入电压下，额定输入电压和最高输入电压。

电感电流一直处于连续状态，即图腾柱PFC的工作模式为连续模式，输入电流与输入电压同相位。在满载最低输入电压情况下，输入电流的THD含量均在5%以内，表明在电压前馈控制下的输入电流畸变率相比较与传统平均电流控制畸变率更低。仿真结果表明应用本文所提出的具有输入电压前馈的平均电流控制下的图腾柱PFC具有较高的动态响应能力和稳定性。

图1 控制系统模型

2 结论

经过对平均电流控制下PFC的讨论分析，并根据控制原理提出了一种电压前馈的图腾柱PFC控制，此控制下变换器具有较高的动态响应能力及稳定性，控制系统能够在输入电压变化时调节开光的导通关断时间变换，避免了传统平均电流控制下的变换器由双环积分延迟所导致的输出不稳。并设计了一个400W的电路模型，通过Simulink对系统进行仿真验证，实验结果表明本文所提出的控制策略能够提高变换器的稳定性。

图2 额定输入电压下的满载输入电流FFT analysis