基于三相三开关三电平电路功率因数校正的新颖的双闭环控制技术.doc

基于三相三开关三电平电路功率因数校正的新颖的双闭环控制技术作者：顾宝龙孙培德转贴自：微计算机信息点击数： 247更新时间：2008-10-8【字体： A】Research of Three-Phase Unity Power Factor Converter with UC3854Abstract：The control method of UC3854 and the features of three-phase three-switch three-level rectifier are analyzed. The design of three-phase three-switch three-level rectifier with control method of UC3854 and the result of simulate are given out. Key words: three-phase three-switch three-level, PFC, two close cycles, UC3854.摘要：分析了UC3854控制原理和三相三电平三开关功率因数校正电路特点，并结合UC3854的原理设计出功率因数校正电路双闭环控制器，给出了仿真设计和结果。关键词：三相三开关三电平，功率因数校正，双闭环，UC3854。 引言现代社会中电力电子装置的应用日益增多、容量不断加大，但由于这类电路的交流输入使用了工作在非线性状态的器件，所以它们会造成输入电流波形畸变，从而引发电流和电压的谐波增加、功率因数下降等电网污染问题。这类问题日益受到关注，许多国家开始限制谐波电流的含量，如欧洲广泛采用的IEC 1000-3-2 或EN61000-3-2规定了最大允许谐波电流，我国也与1994年颁布了电能质量公用电网谐波标准（GB/T14549-93）1。功率因数校正技术是改善谐波的根本手段。单相功率因数校正技术目前已经实用化，三相功率因数校正技术虽也有应用，但如何提高其性能、降低成本仍为研究的热点1。与三相六开关三电平或矢量控制等方案相比较，三相三开关三电平PFC电路是一种具有比较简单的主回路拓扑结构和控制方法的方案23，UC3854是在单相PFC控制中应用广泛的一款芯片，本文提出了一种基于UC3854的三相三开关三电平解决方案，这种方案结构简单、控制方便、成本低廉。1UC3854功率因数校正原理 UC3854在单相单位功率因数校正电路中获得了广泛的应用，其应用电路框图和内部工作电路框图如1所示2，借助BOOST电路的升压功能，使得电源电压瞬时值低于输出电压Vo时仍能够形成输入电流，UC3845的工作原理可以用下面的四个主要部分来描述。图1 UC3845应用电路框图和内部工作电路框图其中电压环、电流环和PWM形成电路三个部分都比较简单，电压环构成了系统的外环，用于控制恒定的输出直流电压，电流环构成了系统的内环，使得vi 跟随vi*变化，从而达到将iin的波形形状校正成与vin相同的目的，以实现单位功率因数校正，PWM形成电路更是不须多说。运算器 是该系统的关键，它有两个目的，一是能够形成一个波形形状与vin相同且与电压调节器输出量Ve成正比的电流给定vi*，二是使输入功率不随输入电压Vin的变化而变化。运算器的输入信号中，A为电压调节器的输出Ve，B为整流输出电压Vin经过衰减后的信号，即C为整流输出电压Vin经过衰减和滤波后的信号的平方，即C=KCVin2，因此， （1）由式（1）可见，在Vin不变的情况下，运算器实现了它的第一个目的。由于电流环使得电流反馈Vi=Kiiin跟随其给定Vin，则结合式（1），则输入功率为（2）由式（2）可见，输入功率Pin与Vin无关，这样做的目的是为了提高系统对Vin的抗干扰能力，即如果检测到Vin增大，由式（1）可知系统会主动减小vi*，以避免Vin对Vo的影响。这样便可以实现全输入电压范围内的正常工作，并可使整个电路具有良好的动态响应和负载调整特性。2基于UC3854的三相三开关三电平单位功率因数校正电路三相三开关三电平单位功率因数校正电路的主电路形式如图2a所示。其实从本质上讲，图2a所示电路中每一相校正电路的工作原理与图1所示的主回路基本相似，只是为了能够分别对每一相电流进行处理以实现三相完全解耦，将短路开关移到了整流桥的交流侧而已3。实际的电路可由图2b所示电路来实现。以a相电路在ia为正时的情况为例，VTa导通，则电流通过Da1、VTa和Da4到达电容的中点，相当于图2a中的Sa闭合，在此阶段电感储能，ua=0；当VTa断开时，电感释放储能，电流通过Da1和Dap到达Cf1的正端，ua=0.5Uo4。该电路的优点在于:1 结构简单，每相仅需一个功率开关；2 由于该电路具有三电平特性,减小了谐波，滤波负担轻；3 不需要中线，无三次谐波:满载时功率因数很高;开关应力小，关断压降低，开关损耗低；4 具有高的功率体积比或高功率重量比；5 与六开关全桥PFC整流电路相比开关管利用率高，高的运行可靠性，不存在开关直通问题，共模EMI低5。既然每一相的电路工作原理与单相时的相似，则完全可用三片UC3854分别独立控制三相的功率因数校正，图3是在MATLAB环境下建立的仿真系统图，其中每一个PWM Generator就是实现一片UC3854就的功能，与单相时不同的只是vin是取自每一相的相电压，TTT实现的是图2b的功能。在图3b中，Vin_RMS表示交流电压有效值，之所以用常数来取代实际的电压，是为了避免MATLAB除法运算出错，如果想考察系统对电源的抗干扰能力，可以用阶跃信号来替代之6。利用图3所示的电路模型，在负载为100、负载滤波电容为1000F、输入电感为10nH/相、电源相电压有效值为220V、 输出电压设定值Vo_SET为600V、开关频率为10KHz的条件下进行仿真，得到的波形见图4，可见系统的输出电压和输入电流波形都是比较理想的。系统根据输出电压和负载的要求以及PFC的控制器的要求，自动地调节输入电流的幅值、波形形状和相位，仿真结果表明，交流侧的功率因数达到99.2%。b) MATLAB仿真环境下的UC3854及其外围结构 图3 MATLAB仿真环境下的三相三开关三电平PFC电路结构图 在理论分析的基础上，试制了一台原理样机，实验参数为与仿真模型基本一致，功率器件采用IR公司的MOSFET（IRF250）和快恢复二极管（80EPF12），电源相电压通过三相隔离变压器向UC3854提供同步信号和预校正信号，电流反馈采用霍尔电流互感器，MOSFET的驱动采用脉冲变压器方式，实验结果与仿真结果完全吻合。4结束语本文分析了UC3854用于单相功率因数校正的方法和三相三开关三电平结构图的原理，在此基础上提出了三相功率因数校正的双闭环控制方法，并采MATLAB/SIMULINK建立了仿真模型，实现了三相功率因数校正的目的。结果是这种方式较其他控制方式具有结构简单、效果良好、性能可靠等优点。本文的创新点是将UC3854单相功率因数校正的控制原理发展并提升到三相功率因数校正中，提出了基于三相三开关三电平电路功率因数校正的新颖的双闭环（即电压环、电流环）控制技术。参考文献1徐德鸿. 三相高功率因数整流器的发展与现状C,第十三届中国国际电源新技术研讨会论文集.昆明，1994：1261332TI Analog/Mixed-singal Products Designers Master selection Guide CD-ROM August 2002 SLYC005G UC3854 PDF3Kolar, J.W, Drofenik.; Zach, F.C. “Current handling capability of the neutral point of a three-phase/switch/level boost-type PWM (VIENNA) rectifier”. PESC 96 Record. p.1329-36 vol.2. 4Qiao, C. and Smedley, K.M. “A General Three-Phase PFC Controller.Part I for rectifiers with a Parallel-connected Dual Boost Topology”,IEEE IAS99.5J. Herminjard，“Three-Phase Unity Power Factor AC/DC Converter (PFC) with Dual Isolated DC/DC Converter for a Battery Charger”，the European Conference on Power Electronics and Applications; 7-9 September 2001. EPFL Lausanne, Switzerland.6. 李 鹏等. 电流