（上海海事大学 物流工程学院 上海 201306）
摘要: 本文从稳态分析入手,研究了单相Boost-PFC的稳态工作点,建立了电路的数学模型,进行了基于小信号模型的数学分析,对电压环和电流环的闭环调节器进行了分析。在理论分析的基础上论文第三章基于PSIM软件环境对单相Boost-PFC及其新型控制策略进行了仿真验证，实验结果验证了方案设计的可行性以及理论分析的正确性。
关键词：基于PSIM Boost-PFC 仿真分析
1、单相PFC的小信号分析
本章首先对单相Boost型的PFC进行稳态分析,然后进行数学建模,最后分别分析了电流环和电压环的设计。
1.1 单相Boost型PFC电路的稳态分析
1.1.1 电路的工作原理
单相Boost型PFC电路结构如图1.1所示，它与其他拓扑相比,具有以下优点:(1) 输入电感电流即为电源输入电流，便于电流控制,非常适用于PCF；(2) 结构简单,效率较高；(3) 工作于电流连续模式,EMI小；(4) 驱动电路无需与主电路隔离。电路的不足主要有: (1) 由于有源开关不在主功率通道上,电路不能实施负载短路保护和抗浪涌电压保护；(2) 电路输入与输出之间无隔离。
图1.1 单相Boost型PFC电路原理图
图1.1中，电路的控制采用平均电流模式控制，电路工作时，内环电流环通过改变占空比控制输入电感L上的电流跟随电流参考信号。外环电压环通过改变电流参考信号使输出电压保持恒定。
1.1.2 电路的理想状态下直流工作点分析
假设输入网压Uin为正弦,整流电路无内耗,输出电压Uo无纹波,要求输入功率因数为1,则输入电压和输入电流分别为:
由上式可看出,稳态时PCF开关导通比也呈周期性变化。2、单相PFC控制策略及其PSIM仿真
通常处理PFC模型的方法有两种:1)线性平均大信号模型，这种模型是基于电路能量平衡推导出来的,以输出电压的平方为控制量,模型适用的频率范围低于工频。模型假设输入功率因数为1,在此条件下,系统模型简化为一阶。由于以输出电压的平方为控制量,因此,该模型多用于数字控制系统。而且该模型输入功率因数为1的假设使电流环特性在模型中未能体现。2)准稳态模型,认为电路中所有状态的变化都远快于输入电压的变化,在此基上,直接采用PWM模型,然后分析随输入电压变化,模型的变化规律。但这个方法在扰动频率高于输入频率时有明显的缺点[21]。
目前PFC电路的建模一般按照频率分段讨论。在扰动频率较低的情况下(一般低于1/2输入频率),通过在输入周期内的平均,消除输入的时变特性,从而可以根据通用的DC/DC建模的方法处理,但是这个模型只适合低频范围。这个假设的基础就是实际电路中PFC的电压调节环的带宽一般远小于输入频率。在频率较高的场合(一般高于1/2输入频率),假设输出电压恒定,可以通过直接建模的方法来处理。假定输出电压纹波足够小,用输入电压的有效值代替输入整流电压,PFC的数学模型在较宽的频率范围内可近似为斩波器数学模型。在这里,我们直接利用其证明结果推导电路模型。
2.1 电路的控制原理
一个典型的PFC变流器的框图如图2.2所示。电路控制的关键是参考电流信号的形成。如图中所示参考电流信号 三路信号经乘、除法器进行乘运算到的。 是电压调节输出,iac为电流参考信号,vff是输入整流电压经低通滤波器滤波分压后,得到的输入电压有效值信号作为电压前馈以消除电压变化引起电压环增益的变化。对输入乘法器有:
(3-1)
当输入电压vi。增大一倍,电压前馈信号vff,电流参考信号iref减小一半。这样在电压调节器输出ve。保持不变的情况下,由于电压前馈作用,保持了输入功率的恒定。实际实现时,电压前馈是由输入整流电压经两极RC滤波后得到的。参考信号形成后,通过电流检测电阻检测实际电流信号作为反馈信号,与参考信号进行比较,所得的电流偏差信号送电流补偿环节,然后送至脉冲调制器与固定频率和幅值的锯齿波进行比较,比较结果是开关的门极脉冲信号,该信号经放大后直接驱动有源开关控制输入电流,从而形成了电流闭环。在本文中,主要分析平均电流模式控制。系统输出电压控制是通过。电压调节器输出改变电流参考信号幅值实现的。
2.2 基于PSIM仿真环境下单相Boost-PFC系统的仿真及波形分析
基于以上的理论分析以及控制模块的仿真实现，在PSIM仿真环境下搭建了单相Boost-PFC整个系统的仿真模型，
基于仿真模型以及仿真参数，对网侧交流电压电流、直流侧电压、乘法器输出的电流给定信号、电压调节器输出信号在正常工作状态下进行了仿真。
输入电压与输入电流波形基本保持同相位，功率因数接近1，并且电网输入电流几乎没有畸变，是非常漂亮的正弦波；至于输出电压波形，基本保持在恒定值300V，虽然依旧存在波动，但一般来说，单相Boost-PFC输出电压作为一次电源，允许输出电压有一定的波动[23]。
3、总结
经过多年的发展与研究探索，PFC变换器技术发展很快，性能越来越好，必将成为未来抑制电网谐波污染的最好选择。
本文从稳态分析入手,研究了单相Boost-PFC的稳态工作点,建立了电路的数学模型,进行了基于小信号模型的数学分析,对电压环和电流环的闭环调节器进行了分析。在理论分析的基础上论文第三章基于PSIM软件环境对单相Boost-PFC及其新型控制策略进行了仿真验证，实验结果验证了方案设计的可行性以及理论分析的正确性。
参考文献
[1]高奇峰.三电平三相单级性功率因数校正电路研究.硕士论文,2004.
[2]陆安定主编.功率因数与无功补偿.上海:上海科学普及出版社,2004.
[3]周志敏,周纪海,纪爱华编著.开关电源功率因数校正电路设计与应用.北京:人民邮电出版社,2004.
[4]张祖正,谢运祥,高静巧.一种新颖的高功率因数AC/DC变换器.工技术杂志,2004(12).
[5]苗海亮,雷淮刚,陈辉,龚幼民.变频空调中功率因数校正的控制电路设计.上海大学学报(自然科学版),2003年4月,第9卷第2期.
作者简介
杨涛（1991-），男，硕士研究生，研究方向为电力电子与电力传动。
论文作者:杨涛
论文发表刊物:《电力设备》2016年第10期
论文发表时间:2016/7/25
标签：电压论文; 电流论文; 电路论文; 信号论文; 单相论文; 模型论文; 功率因数论文; 《电力设备》2016年第10期论文;