基于准静态分析法的pfc电路控制研究

基于准静态分析法的pfc电路控制研究

随着iec-1000-3-2等标准的颁布和强制执行，提高了输出功率，减少了输入电压波幅，成为当前能源电子技术设计的一项紧迫任务。作为提高功率因数的一种有效手段,有源功率因数校正技术成为目前国内外电力电子领域的研究热点,其中以Boost变换器为主拓扑结构,平均电流模式控制的PFC电路因其电路简单、控制效果好的优点研究最为广泛。近年来,随着IC技术的迅速发展,嵌入式DSP控制技术已经广泛地应用于电机驱动,UPS,开关电源等电力电子领域。作为数字控制系统的一个重要部分,建立系统的数学模型是必不可少的。本文在准静态分析法的基础上,建立了系统的简化小信号模型,并给出了一种实用的控制器设计方法,实验结果很好地证明了文中提出的思想。1pfc电路的工作原理工作原理:输出电压Vo与参考电压Vref比较后经电压环控制器得到Vc,Vc与输入整流后的电压值Vg/k1相乘,得到电流基准信号。输入电流iL与基准信号比较后经电流环控制器,其输出信号再通过PWM发生器产生控制信号来控制开关管的通断。因为控制信号是占空比周期性变化的信号,所以得到的输入电流波形跟随输入电压整流后的波形,当开关频率比输入电压频率高得多时,输入电流具有与输入电压相同的电压波形。PFC电路是一个双环控制系统:电流环是内环,控制输入电流波形跟随输入电压波形;电压环是外环,调节和维持输出电压恒定。2系统模型的建立在PFC电路中,电压、电流等变量在两种不同频率上变化:一方面按开关频率fs高速切换;另一方面又按输入电压频率f(工频)缓慢变化。从系统的角度来看这是一个复杂的时变系统,综合文献,文中采用准静态分析法来对系统的模型进行分析和设计。图1中,Gi(s),Gv(s)分别为电流环和电压环的控制器传递函数;Fm为脉宽调制器的传递函数。要想建立整个PFC电路的小信号数学模型,换句话说,就是得到电流环和电压环各自的传递函数模型,从图中可以看出,功率级、脉宽调制级、输出电压对控制电压级的小信号模型是必须的。下面就着重介绍这三级的小信号模型,如图2所示。2.1功率段模型的建立运用准静态分析法来确定功率段的传递函数Gid,也就是随着线电压的变化,变换器工作在稳态运行点附近。在这样的前提下,可得到PFC电路功率级的等效小信号模型如图3所示。在PFC电路中,为了抑制纹波以及满足维持时间的要求,输出滤波电容C通常很大,所以滤波电容可以看成是一个恒压源,在高频状态下,滤波电容短路。因而可得功率段模型的传递函数为:Gid(s)=ˆiLˆd=VosL式中,ˆiL为电感电流变化;ˆd为扰动占空比;Vo为输出电压值;L为电路电感值。2.2ve#vramp在大多数的开关模式变换器中,占空比d的调节是通过一个误差电压Ve与一个固定频率的锯齿波Vramp相比较来实现的,当Ve>Vramp时,功率管导通;当Ve<Vramp时,功率管关断,如图4所示。由此可以得出调制器的传递函数为:Fm(s)=ˆdˆVe=tonΤs≅1Vse式中,Vse为PWM锯齿波信号的峰-峰值。2.3电压环输出的源模型Gvc(s)=ˆvoˆvc=gc⋅rp1+scrp,其中rp=r0⋅Rr0+R,各参数如表1所示:3控制装置的实现上面得出了系统的各级小信号模型,在此基础之上,就可以建立起PFC电路的电流环与电压环2个闭环系统的传递函数模型,如图5,图6所示。3.1电压封闭系统图5中,K2为输出电压比例系数,则电压环开环传递函数为:Τv(s)=(Κpv+Κivs)⋅Gvc(s)⋅Κ23.2pi控制器的设计图6中,RS为测流电阻,则电流环开环传递函数为:Τi(s)=(Κiv+Κiis)⋅Fm(s)Gid(s)⋅Rs至此,整个系统的小信号模型已经建立起来了,下一步就是对PI控制器的设计。PFC电路中控制器的设计方法一般有2种:一种是零-极点匹配的工程方法,另一种是根据某些设计指标(像超调量、相位裕量、带宽)来进行直接设计的方法。这里采用后一种设计方法,考虑到系统的动态特性和稳定性,以闭环系统的带宽fc和相位裕量Φ为设计指标。在截止频率ωc=2πfc处,|Τ(jωc)|=1180°由上面2公式即可求出电压环和电流环控制器的各个系数。4v形、fs,l设计参数:Vin(rms)=110V,P=100W,Vo=200V,fs=28kHz,L=4.1mH。图7,图8为实验波形。5基于cfc的控制器设计方法在PFC电路的基础上,介绍了PFC系统的简化小信号模型,并且给出了一种常用的控制器设计方法,这种简化的系