PFC前馈电流控制

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1、单相BoostPFC变换器中的前馈电流控制摘要——本文研究了带功率因数校正的单相BoostAC-DC变换器中前馈电流控制的理论和应用。提出的前馈信号包括瞬时输入线电压和参考电流的导数。和已有的反馈和前馈控制方法相比，该方法很显著地降低了输入电流谐波的畸变程度，特别是当电流环穿越频率相对线频率较低的情况下。本文给出了该控制的实现方法和参数敏感度，不确定性等相关问题的研究，并做了数值仿真和实验验证来说明理论分析。该方法的适用对象包括线频率较高的航空系统和电流环穿越频率受数字器件速度限制的低成本工频50～60Hz数字控制系统。关键词——占空比前馈前馈

2、控制高性能PFCPFC变换器控制单相PFCⅠ.引言前馈控制是一种消除和降低控制系统中扰动的有效方法。在参考信号时变的系统中，当单独的反馈不能保证及时的跟踪时，前馈的方法也十分有用。在单相功率因数校正变换器中，输入电压前馈信号已经成功地应用于消除电压环对输入电压有效值的依赖性，同时改善了输出电压调整。前馈控制也是一些集成的商业PFC控制芯片的显著特点。本文的研究主题是一种被称作输入电流前馈控制的相对较新的和少为人知的控制方法。单相PFC变换器的输入电流一般由使用平均电流控制的电流反馈环调整。当开关频率为100kHz或者以上时，电流反馈环的截止频率

3、能达到5-10kHz来满足大多数中低功率场合的应用。事实上，对大多数陆地上50～60Hz线输入场合，平均电流控制的单相BoostPFC就已经能满足调整要求了，这使得进一步的改善控制性能没有太大实际意义。然而，在现在的一些高频场合，比如航空电网系统中，其线电压频率为400Hz或者变频（360-800Hz），BoostPFC变换器需要有更好输入电流控制性能，这用已有的控制系统是较难实现的【1】。低成本的数字控制PFC也需要一种不依赖于输入电流高带宽的控制方式【2】。对于这两种场合，前馈控制不失为一种明智的选择。文献【3】最先探讨了PFC变换器的前馈

4、电流控制,其基本思想是产生一个“名义占空比模式”来减轻反馈的负担。对于Boost变换器前馈占空比信号为：vind1（1）nvo其中，

5、vin

6、是经过整流桥之后的线电压，vo是变换器输出电压。这种名义占空比模式使得在每个开关周期内开关管两端的平均电压等于整流之后的线电压，从而通过反馈改变（1）式中的名义占空比模式使得输入电流波形正弦化。由于Boost电感的阻抗在输入频率处较低，占空比较小的变化量将带来足够的电感电压以得到需要的电流正弦波形。文献【4】最先研究了前馈控制的具体实现，近期出版的【5】【6】也给出了（1）事的数字实现。然而，除了文献

7、【6】以外，前人的工作没有直接的仿真分析或实验证据来证明（1）式的优越性。（1）的直接实现需要使用到除法器，而模拟器件的使用明显地增加了控制的复杂性和成本。进一步，（1）式中包括了变换器的输出电压，这使得前馈信号引入后电压环的动态改变，电压环的重新设计就不可避免了。开机启动也会是一个问题，因为当输出电压达到一定值之前，占空比将会饱和。这些问题是前人的工作所忽视的。本文提出了一种新的输入电流前馈控制方法及其在单相BoostPFC电路中的具体实现方式。和前人的工作相比，本文提出的新的前馈控制方法中使用的前馈信号和（1）相比新增了一个和输入电流的导数

8、成正比的项。新增的前馈信号更进一步地减小了输入电流的畸变。特别是在过零区附近。这篇文章同时表明，使用输出电压的参考代替输出电压，可以使得前馈信号可以进一步被简化。除此之外，本文还研究了新方法的参数改变和不确定性对系统鲁棒性的影响。仿真和实验的结果证明了理论分析的正确性，同时表明了所提出的方法在航空高性能应用场合以及低成本数字控制场合具有很大的优点。图1单相BoostPFC变换器图2单相BoostPFC电流环框图Ⅱ.前馈电流控制A.前馈信号的推导图1画出了单相BoostPFC主电路。很显然，电感两端的电压就是整流桥之后的电压vin与开关管两端的电

9、压vs之差。当在一个周期内对vs做平均时，vs可以写成v(1dv)（2）sod是开关管的占空比，vo是变换器输出电压。因此，为了使Boost电感电流跟踪参考电流iref，开关管平均电压必须满足：direfvvvvL（3）sinLindt式（2）和式（3）是单相BoostPFC变换器输入电流前馈控制的基础。它们定义了前馈信号中占空比的互补量1direfd1dvinL（4）vodt该控制量可以和反馈补偿器的输出信号组合来控制开关管的占空比信号。图2中的框图更好地解释了（4）式中所定义的前馈信号的作用，同时也反映了单

10、相BoostPFC电路的电流环在高频时的动态【7】【8】。此处假定调制方式为前缘调制使得输出PWM-1调制信号为d′=1-d。Vm是PWM锯齿波的峰峰