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摘要：单周期控制是一种用于功率变换器的新型非线性控制策略，当输入电压发生扰动或负载快速变化时，仅在一个周期内就可实现控制目标。简要分析了单周期控制的控制机理，并在Boost变换器中采用了这种新颖的控制方法用于功率因数校正。基于IR1150 研制了一台3 kVA的功率因数校正实验样机，给出了设计实例和实验结果。实验结果表明，该变换器的控制方法简单、可靠和通用。 关键词：变换器；功率因数校正；单周期控制 Abstract:One cycle control is a novel nonlinear control method for power converters. A one cycle controlled switch has the ability to reject the input voltage perturbation or the load step and to realize control objective only one switching cycle. After the analyses of one cycle control mechanism, this method is used in Boost PFC. A 3 kVA PFC Converter is designed based on IR1150 , the design process and experiment results are given. Experimental results prove that the control method of this converter is simple, reliable and general. 引言 单周期控制是近年来由Keyue Smedley M提出的新型控制技术，并首先在Buck 变换器中进行了实验验证[1]。其控制思想是通过控制开关的占空比，使每个开关周期中开关变量的平均值严格等于或正比于控制参考量。它是一种典型的实用的非线性控制技术，其突出的特点是，开关变量在一个开关周期中精确地跟随控制基准，提供了很快的动态响应和很好的输入扰动抵制，在一个开关周期内有效地消除电源纹波干扰和开关误差，控制方法简单可靠。采用单周期控制技术，可以有效地克服传统电压反馈控制中的缺陷，同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿。 IR 公司采用单周期控制技术推出了专用于AC/DC功率因数校正电路的IR1150 系列产品。本文基于IR1150将单周期控制技术引入Boost 变换器，以实现功率因数校正。介绍了单周期控制Boost PFC变换器电路的控制目标和实现方式，给出了电路的设计参数和实验结果。实验结果表明，该技术用于Boost 变换器完全能够实现功率因数校正。 1 Boost PFC 变换器电路的控制目标和实现方式[2] 图1 给出了单周期控制Boost PFC 变换器原理框图。 图1 单周期控制Boost PFC 变换器原理图 图1 中，AV（s）为电压反馈误差放大器参数。 根据功率因数的定义可知，要实现功率因数校正须满足式（1），即 式中：Re为变换器的输入端阻抗。 如果在任何一个开关周期之内，Re 可以等效为一个纯电阻，则功率因数姿=1。在一个开关周期之内Boost 变换器的输入电压和输出电压的关系可表示为 今  式中：Rs为等效采样电阻 合并式（1）~式（3）后得 当输出滤波电容Co足够大时，Uo可以看作常数。在一个开关周期之内，可将Uin看作恒定的。由式（4）可知，Iin 总是跟随Uin，从而变换器的输入端阻抗等效为一个电阻，实现了功率因数校正。控制目标如式（5）所列。 2 参数设计[3][4] 设计要求： 交流输入电压 Uin=165~275V； 额定输出功率 Po=3000V·A； 输出电压 Uo=380V； 开关频率 fs=50kHz； 功率因数 λ≥0.99。 2.1 电感设计 在功率因数校正变换器中，电感的设计是至关重要的，电感设计的好坏直接关系到变换器的性能。电感值由式（6）决定，即 式中：Uin(pk)min为最小输入电压的峰值，这里是233 V； D为在输入电压最低时出现的最大占空比，为0.417； fs为开关频率，取50 kHz； Il为纹波电流峰峰值，取最大电感电流峰峰值的20%。 经计算取L 为0.36 mH。 2.2 输出电容 直流侧输出电容具有两个功能： （1）滤除因器件高频开关动作造成的直流电压纹波； （2）当负载发生变化时，在整流器的惯性环节延迟时间内将直流电压的波动维持在限定范围内。 当开关动作造成的纹波频率比较高时，只需要较小的电容就能满足第一项要求。第二项要求与负载的大小、输出纹波电压和保持时间驻t 等因数有关。一般取驻t=15~50 ms。电容的容值由式（7）决定，即 式中：Uomin为输出电压最小值，一般取300V。 计算得电容为3300滋F，采用4 个耐压值为500V，容值为820滋F的铝电解电容并联。 2.3 功率器件 功率管采用APT5010LFLL，耐压500 V，最大正向通态电流46A。续流二极管选用RURG7560超快恢复二极管，耐压600V，正向额定电流75A，反向恢复时间约70ns。 3 实验结果及分析 变换器采用IR1150 的单周期控制技术，其工作原理图如图2 所示。 图2 基于IR1150 的Boost PFC 电路图 由图2 所给出的单周期控制Boost PFC 实验电路按上述参数进行实验，可得如图3 所示的实验波形。由图3 可知，输入电流iin 波形近似为正弦波，但由于电网电压波形在峰值时仍存在一定程度的畸变，以致电流波形在峰值也存在一定的畸变。另外当电压过零时，电流也存在一定的过零畸变。图3（a）为输入电压为165V时，输出功率为2701.8V·A时的输入电压电流波形。图3（b）为输入电压为220V时，输出功率为2983.0V·A时的输入电压电流波形。图3（c）为输入电压为255V时，输出功率为2979.2V·A时的输入电压电流波形。表1给出了一组输入电压为220V 的实验数据。在整个实验中变换器的输出电压始终稳定在380V，可见单周期控制对输入电压扰动和负载的变化能很快的实现控制目标。 （a） 输入电压165 V时 （b） 输入电压220 V时 （c） 输入电压255 V时
图3 不同输入电压下的实验波形 4 结语 本文将单周期控制引入Boost 变换器以实现功率因数校正，给出了主要参数的详细设计步骤，研制了一台3kV·A功率因数校正变换器。实验证明：基于单周期控制的单相Boost PFC主电路拓扑结构简单实用，可靠性高，既可简化控制电路的设计，又无须乘法器，无须检测输入电压，因而系统更易实现，而且成本低，应用价值较高。 参考文献 [1] Smedley Keyue M. Cuk Slobodam. One Cycle Control of Switching Converters [J]. IEEE Transactions on Power Electronics,1995,10(6):625-633. [2] 曹广华，胡宗波，张波. 单周期控制Boost PFC 变换器[J].电力电子技术. 2005,39(3):6-8. [3] International Rectifier. IR1150 Datasheet No.PD 60230[Z]. 2003. [4] International Rectifier. IR1150 Application Note AN-1077[Z]. 2003. 作者简介 揭东华（1980-），男，南京市航空航天大学硕士研究生。研究方向为开关电源。 |
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