交错并联PFC电源研究与设计

马昭

【摘 要】对交错并联PFC电源的工作原理进行分析.通过对硬件电路和控制环路的电压环、电流环进行详细分析和设计,实现了400 V/600 W交错并联PFC电源的设计.最后,利用MATLAB仿真软件建立试验模型,得到仿真波形.结果表明,交错并联PFC电源具有输出电压纹波小、功率因数高的特点.%The working principle of the interleaved PFC power supply was analyzed.Design of a 400V/600W interleaved PFC power supply was realized through detailed analysis and design of the voltage loop and current loop of the hardware circuit and control loop.Finally, MATLAB Simulation software was used to establish a test model and a simulation wave was obtained.The results showed that the interleaved PFC power supply was characterized by small output voltage ripple and high power factor. 【期刊名称】《电气自动化》 【年(卷),期】2018(040)003 【总页数】4页(P23-25,77)

【关键词】交错并联PFC;电压环;电流环;校正;Bode图 【作 者】马昭

【作者单位】西安航空学院电子工程学院,陕西西安 710077 【正文语种】中 文

【中图分类】TM46

基金项目:西安航空学院校级科研基金项目(2017KY1221) 0 引 言

因PFC能够大大降低对电网的谐波污染而被广泛使用。传统的BOOST PFC电路能够实现很好的功率因数校正功能，使得功率因数接近1，并且具有结构简单、效率高的特点，在中小功率电源装置中应用非常多。随着高功率电子装置的应用，对高功率电源的需求也越来越多，传统的PFC难以实现高功率电源设计。交错并联PFC拓扑结构的出现很好地解决以上问题。交错并联结构通过多个单元功率模块交错相位控制、并联形成新的变换器，使得每个单元各承担总功率的一部分。这种方案减少了开关器件的电流应力，使得选型更为便捷。此外，该结构由于每相电流错开一定的相位，叠加的结果使得输入电流纹波降低。因此，研究釆用交错并联PFC电源具有很大的应用价值[1]。 1 总体结构与分析

电源总体结构如图1所示。电源主要由两部分构成：交错PFC功率电路和控制电路。功率电路通过两个电感、电容、二极管构成的BOOST升压交错并联PFC电路，实现电能交流到直流的变换。控制回路采用双闭环控制方法。电压外环用来实现输出稳定电压作用，电流内环控制输入电流跟随输入电压变化，达到功率因数校正作用。

图1 交错并联PFC电源总体结构图

交错并联PFC电源的控制方式有多种，平均电流控制具有控制的是输入高频电流的平均值，对噪声不敏感，而且不会产生次谐波震荡。因而本文选择平均电流控制模式,具体实现过程如下：

电压环的输入参考电压Vref和采样输出电压相减后得到误差电压。该误差经过电

压环PI控制器产生控制信号，该信号和输入交流电压经过乘法器后得到电流内环的参考电流Iref。再通过电流环PI控制器产生PWM控制输出，从而实现电感电流能够跟随参考电流Iref变化，实现输入电流正弦化。 2 硬件电路设计 2.1 电源技术参数

电源的技术参数如表1所示。

表1 电源的技术参数技术参数数值输入电压85～265 VAC输出电压400+2% DC电网频率50+5 Hz额定功率600 W功率因数>0.99开关频率65 kHz电源效率>90% 2.2 电感设计

电源总的输入电流为各相电感电流之和，电流纹波k(D)与占空比D相关[2]，且电流纹波比值k(D)为: (1)

电感量在最低输入电压180 VAC下计算可以得到最大占空比为: (2)

式中:Dmax为最大占空比；i(s)为电感电流在S域函数；d(s)为占空比在S域函数；Vo为输出电压幅值；Vin_min为最小输入电压。

两相交错并联PFC电源中，每个并联的变换器的承担功率为总电源功率的1/2，根据输入输出功率平衡，单相电感电流有效值为: .92 A (3)

式中:IL_rms为单相电感电流有效值；Po为电源输出功率；η为电源效率；

Vin_min为最小输入电压。

令电感电流纹波调整率为0.2，输入纹波电流为ΔIg=1.1 A。电感L计算公式为: μH (4)

式中:Ts为开关周期；ΔIg为输入纹波电流。

上式得出的电感值为交错并联PFC电源的最低电感值，实际电路中采用升压电感值为700 μH。 2.3 电容设计

输出电容的确定要满足最小保持时间要求和最大输出电压纹波值。输出电压维持系数α为0.8，Δt=20 ms。根据维持电压确定输出电容为[3]: Co≥μF (5)

设定输出纹波电压为输出电压的3%，由输出电压纹波确定输出电容为: Co≥μF (6)

式中:Vo为输出电压;α为输出电压维持系数;Co为输出电压容值; f为50 Hz。综上最终选择输出电容为450 μF/500 V电容。 2.4 开关管和二极管的选择

MOS管和二极管选型时，要考虑耐压和过电流能力并留有一定裕量。在此开关管选择IRFP460，二极管选择MURF860。 3 控制环路设计 3.1 电流环控制器设计

控制输出到电感电流的传递函数Gid(s)为[4]:

(7)

式中:Gid(s)为控制输出到电感电流的传递函数；Ro为输出负载；L为电感值。 电流内环控制结构如图2所示。为实现很好地跟踪输入电压变换，电流环要有很快的响应速度。电流补偿器的带宽应更高，在此选择电流环带宽在5 kHz至15 kHz之间。

图2 电流内环控制结构图

图2中：Gid(s)为占空比控制到输入电流的传递函数；Gic(s)为电流内环控制器;k1、k2为增益系数。代入电源参数值，得到电流环开环传递函数的Bode图如图3所示。

图3 电流环开环传递函数Bode图

由图3可以看到，传递函数穿越频率为90.9 kHz，容易使系统不稳定，且低频增益过小导致控制误差较大，选择 PI控制器进行补偿校正。PI参数为： Kp=0.06； Ki=150。因而得到校正后电流环的开环Bode图如图4所示。 图4 电流环校正后传递函数Bode图

由图4可知，校正后的穿越频率为10.9 kHz，相角裕度为87.9°，该环路是稳定的，并具有合适的穿越频率。 3.2 电压环控制器设计

将被控对象等效为驱动电容[5]。电压外环控制框图如图5所示。Gvc(s)为电压环PI控制器，k3、k4为增益系数。 图5 电压环控制框图

电压环控制器PI控制器参数：Kp=35；Ki=400。校正后的开环传递函数Bode图如图6所示。

图6 电压环校正后传递函数Bode图

由图6可以看到，校正后的相角裕度为79.1°，穿越频率为9.46 Hz，系统是稳定

的，且具有较低的穿越频率。 4 仿真及波形分析

在MATLAB使用Simulink搭建交错并联PFC电源的试验仿真电路，包括功率电路、电源控制电路、信号采样调理电路。交错并联 PFC电源在600 W满载情况下，输入电压为220 V的输入电压和电流(为便于观察，将电流波形放大10倍)、输出电压和输出纹波波形如图7所示。

图7 输入220 V时输入电压、输入电流和输出电压波形

同样，当负载为600 W满载、输入电压降低为85 VAC时，输入电压和电流(为便于观察，将电流波形放大了5倍)、输出电压以及输出电压纹波波形如图8所示。 图8 输入85 V时输入电压、输入电流和输出电压波形

由图7和图8可以看出，电源的输入电压和电流完全同相位，输入电流正弦度较好，功率因数约为1。观察输出电压，都能很快达到稳定值400 V，输出电压无明显过冲，其电压纹波小于8 V，能够满足+2%纹波的设计要求。图9为两相电感电流波形，图中电感电流形状基本一致，呈正弦波正半波形状。 图9 两个电感电流波形

图10是电感电流在每个周期变化的波形，电感电流在相位上互差180°，纹波较大，但是总的合成输入电流纹波大大降低。 图10 电感合成电流与分电流波形 5 结束语

本文对400 V/600 W交错并联 PFC电源进行了设计，详细分析了交错并联 PFC电源的工作过程，对硬件电路功率器件进行了选型设计，对控制环路补偿器进行设计，并通过Bode图分析

了设计可行性。最后，搭建仿真模型，对设计结果进行了验证。结果表明，该设计输出电压纹波低、输入电流畸变小、功率因数高，符合预期要求。

参考文献：

【相关文献】

[1] 杨刚.基于DSP的交错并联双向DC/DC变换器研究[D].成都:西南交通大学,2015. [2] 郑航.交错并联有源功率因数校正器的研究[D].重庆:重庆大学,2014. [3] 陈力.交错并联Boost PFC技术的研究[D].成都:西南交通大学,2013.

[4] 罗康.面向交错并联Boost PFC电路的数字控制研究[D].广州:华南理工大学,2016. [5] 王菁.基于Boost的单相数字平均电流法PFC的研究[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学,2008.