劉吉星，沈錦飛

(江南大學(xué)電氣自動化研究所，江蘇無錫214122)

0 引言

Buck變換器系統(tǒng)由于采用二極管整流，斬波環(huán)節(jié)的輸入電流會嚴(yán)重畸變，諧波含量大且功率因數(shù)較低，會對電網(wǎng)產(chǎn)生影響，可以在直流斬波環(huán)節(jié)增加功率因數(shù)校正單元來解決這個問題［1］。針對Buck變換器諧波的影響，一般有兩種解決方法，一是采用濾波器，從而使高次諧波流入濾波器減小諧波;二是通過改變控制方法來減小諧波。常用的PFC技術(shù)有直接電流控制和間接電流控制。間接電流控制通過整流橋輸入端電壓的方式間接實(shí)現(xiàn)電流控制，所以又叫電壓控制。在電感電流連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)下DC/DC變換器一般采用直接電流控制，其中最常見的幾種有峰值電流控制(PCMC)、滯環(huán)電流控制(HCC)、平均電流控制(ACMC)等方式［2］。滯環(huán)控制具有硬件實(shí)現(xiàn)和魯棒性能好等優(yōu)點(diǎn)，但電流紋波大，開關(guān)頻率不固定導(dǎo)致?lián)p耗較高。平均電流控制就是結(jié)合PI的三角波控制，雖然簡單，但是由于數(shù)字控制系統(tǒng)固有的保持和量化等環(huán)節(jié)，使得控制器對系統(tǒng)呈現(xiàn)出周期性的控制規(guī)律，并在控制系統(tǒng)中引入諸多數(shù)字延時，如:電流采樣、脈寬調(diào)制、PWM 占空比更新、死區(qū)和各種濾波延時等［3，4］。這就導(dǎo)致控制器的輸出滯后于系統(tǒng)電流的變化。

本文采用了一種基于無差拍算法的預(yù)測平均電流控制，補(bǔ)償了延遲誤差，可以使輸入電流波形跟蹤輸入電壓波形，減小諧波，提高了功率因數(shù)，同時提高了系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)精度［5，6］。

1 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 Buck變換器功率因數(shù)校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖1所示為Buck變換器功率因數(shù)校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主電路由二極管不控整流和Buck變換器組成，控制電路由電壓環(huán)和電流環(huán)兩部分組成。其主要工作原理為:主電路的輸出電壓U0與給定電壓U*相比較得到誤差電壓Ue，然后經(jīng)電壓環(huán)PI控制器，得到電壓環(huán)控制信號Ic，Ic與整流后輸入電壓經(jīng)過乘法器相乘得到電流控制環(huán)節(jié)的基準(zhǔn)信號i*。輸入電流采樣值與基準(zhǔn)信號i*比較后通過放大器得到平均電流的誤差放大信號，再與鋸齒波進(jìn)行比較通過PWM發(fā)生器產(chǎn)生驅(qū)動信號來控制開關(guān)管的通斷。由于電壓環(huán)的輸出在半個工頻周期內(nèi)通常為一常數(shù)，則基準(zhǔn)信號i*包含電流所要跟隨的正弦信號成分，所以得到的輸入電流波形上跟隨輸入電壓整流后的信號波形，當(dāng)開關(guān)頻率遠(yuǎn)大于輸入電壓頻率時，輸入電流具有與輸入電壓基本相同的波形形狀。

1.2 預(yù)測平均電流控制算法

理想的Buck變換器在連續(xù)導(dǎo)電模式下，其電路有兩種開關(guān)狀態(tài)。工作狀態(tài)1，開關(guān)管S導(dǎo)通，二極管D截止，等值電路如圖2;工作狀態(tài)2，開關(guān)管S關(guān)斷，二極管D導(dǎo)通，等值電路如圖3。

圖1 Buck電路功率因數(shù)校正系統(tǒng)

圖2 開關(guān)管狀態(tài)1等效電路

圖3 開關(guān)管狀態(tài)2等效電路

則可分別得到開關(guān)管狀態(tài)1、2的電路狀態(tài)方程為:

使用狀態(tài)空間平均法得到Buck變換器的數(shù)學(xué)模型:

預(yù)測電流控制一般通過推導(dǎo)一個開關(guān)周期內(nèi)電感平均電壓和電流表達(dá)式，根據(jù)期望的電流值預(yù)測下一個開關(guān)周期的開關(guān)占空比［5，6］。圖4給出了相鄰2個開關(guān)周期的電感電流波形，實(shí)線是穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的電流波形，虛線是擾動后的波形，每個開關(guān)周期開始時對電感電流進(jìn)行一次采樣，對電感電流i(t)進(jìn)行采樣得到電流i(n)。

圖4 預(yù)測平均電流波形

在預(yù)測電流控制中，每個周期的占空比都要重新計算從而使下一個開關(guān)周期的平均電流能等于參考電流Ic。下一周期需要的占空比是基于采樣電流和采樣輸出電壓和輸入電壓的計算，第n個周期的采樣電流作為一個函數(shù)可以由第n-1個周期的采樣電流和占空比Dn表示:

同時對n+1個周期就有

由式(4)、式(5)得

在一個采樣周期實(shí)現(xiàn)的對電流給定值的無差跟蹤，達(dá)到了類似于無差拍的控制效果，則控制目標(biāo)為i(n+1)=ic，預(yù)測的占空比D根據(jù)前一周期采樣電壓值可以得到，其中is(n)表示為采樣電流，可得:

則可由式(7)得到:

由式(8)可以得到預(yù)測電流的基本控制規(guī)律。

2 仿真結(jié)果分析

為了驗(yàn)證以上分析的合理性，分別對使用平均電流控制和預(yù)測平均電流控制的Buck變換器PFC電路進(jìn)行了建模和仿真分析。

圖5所示為使用預(yù)測平均電流控制的Buck變換器PFC電路的輸入電壓和電流波形仿真，可以看出電壓和電流同相位實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正的目的。圖6所示分別為平均電流控制和預(yù)測平均電流的Buck變換器PFC電路輸出電壓，采用預(yù)測平均電流控制的電路動態(tài)響應(yīng)快，超調(diào)量小，而且穩(wěn)定性較好。

圖5 Buck變換器輸入電壓電流波形

圖6 兩種控制方式輸出電壓

圖7為平均電流控制的Buck變換器PFC電路的諧波分析，諧波含量為9.78%;圖8為預(yù)測平均電流控制的Buck變換器PFC電路的諧波分析，諧波含量為6.58%，可見使用預(yù)測平均電流控制比使用平均電流控制效果好，驗(yàn)證了通過預(yù)測平均電流控制提高功率因數(shù)的可行性。

3 結(jié)論

本文研究了Buck變換器PFC電路，使用預(yù)測平均電流控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電路的功率因數(shù)校正，對以往的平均電流控制技術(shù)做出了改進(jìn)，能夠更好地跟蹤電感電流，減小諧波，同時提高了電路的動態(tài)響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。本文的分析是基于器件參數(shù)理想狀態(tài)下，最后對系統(tǒng)進(jìn)行了建模和仿真，符合理論分析，驗(yàn)證了采用預(yù)測平均電流控制的Buck變換器的功率因數(shù)校正電路的可行性。

圖7 平均電流控制的Buck變換器PFC電路的諧波分析

圖8 預(yù)測平均電流控制的Buck變換器PFC電路的諧波分析

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