王君力;张安堂;倪磊;李彦斌视觉定位系统
【摘 要】1 63
传统三相有源功率因数变换器具有多种电路拓扑形式和控制方法,但整流部分常采用全桥结构,导致输入电流谐波含量较大,电路整体效率不高,而且控制方法相对复杂.基于单相模块构建了一种新型的单周期控制的三相无桥功率因数校正(PFC)电路,通过自耦变压器将三相电路解耦为两相无桥Boost PFC电路并联而成.为削弱2个并联电路之间的耦合干扰,加入分离元件实现了对2个并联电路的独立控制.仿真与实验结果验证了该单周期控制的三相无桥PFC电路的正确性,实现了高功率因数,采用无桥方案也有助于提高电路的整体效率,单周期控制策略控制简单,简化了电路结构.%There are several circuit topologies and control methods for traditional three-phase APFC (active power factor correction)converter.However,the rectifiers often use full-bridge,which results in low efficiency of the whole circuit,high input of current harmonics and complexity of the control methods.Based on single phase module,a novel one-cycle controlled three-phase bridgeless PFC circuit is established through paralleling two-phase bridgeless Boost PFC circuits by autotransformer.In order to reduce t he coupling interference between two paralleling circuits,the discrete elements are added to achieve the independent control of the two paralleling circuits.Simulation and experiment have proved the correctness of the proposed system.The new circuit can achieve high power factor,and the bridgeless scheme is helpful to raise the total efficiency of the circuit.Simple in control,the one-cycle control strategy can simplify the circuit structure.
【期刊名称】《中国电力》
【年(卷),期】2017(050)006
auts【总页数】7页(P88-94)
【关键词】单周期控制策略;有源功率因数校正;无桥Boost PFC;三相电路;耦合干扰
【作 者】过氧化氢灭菌器检测王君力;张安堂;倪磊;李彦斌
【作者单位】空军工程大学防空反导学院,陕西西安710051;空军工程大学防空反导学院,陕
西西安710051;空军工程大学防空反导学院,陕西西安710051;空军工程大学防空反导学院,陕西西安710051
【正文语种】中 文
【中图分类】TM464
随着电力电子设备应用日益广泛，电流波形畸变对公共电网的谐波污染也日益严重，不但影响供电质量，增加损耗，甚至可能损坏某些用电设备。为解决电网谐波污染，改善整流器性能，功率因数校正技术被大量应用，有源功率因数校正（active power factor correction，APFC）技术相比无源方式具有输入功率因数高、体积小等优点[1-2]。三相APFC包括单级和两级2种电路结构，可以采用多种电路拓扑和控制方法[3-8]。
基于单相模块构建三相功率因数校正（PFC）电路是目前三相APFC技术中的一个研究热点，这样的做法优势显著：可以利用相对成熟的单相PFC技术，维护以及维修成本也会大大降低。文献[3]基于单相模块建立三相脉冲宽变调制（PWM）整流器小信号模型，并采用数字控制实现主从机之间的通信，实现了较高的功率因数，动态性能也更优于单相模块；
但文献中对各相电路间的耦合问题避而不谈，对于各相之间的耦合干扰没有给出一个解决方案，而且整个电路控制复杂，主从机通信竞争也存在一定漏洞，可靠性低。
本文设计出单周期控制的三相无桥PFC电路，输入三相电压经过自耦变压器变换为两相，每一相均采用单周期控制的无桥PFC方案，控制电路结构简单、精确稳定，并且响应速度快，半导体器件数量少，节约成本的同时也可以提高电路的整体效率。对于两相电路之间相互耦合的问题也给出了解决方案，最后通过实验和仿真验证了本文所设计电路的可行性。 1.1 三相无桥Boost PFC拓扑耦合干扰分析
传统单开关三相Boost APFC电路如图1所示，该电路会出现开关管及二极管损耗大、电路效率低、输入电流波形畸变严重等问题。本文设计的三相无桥Boost APFC电路如图2所示，每一相都采用单周期控制策略。将三相电压经过一个自耦变压器[6-7]变换为两相，只需利用2个Boost模块并联，可以减少各相之间的耦合问题，使每一相都实现高功率因数。自耦变压器也可以使APFC电路与输入网侧相互隔离，减少电网对输出电压的干扰。2个Boost模块输出端连接到负载输出，通过交替独立运行，使输出电容中的低频纹波成分互相 抵消，减少输出电容的发热，从而延长其使用寿命，输出电压中二次谐波在输出滤波处也将被抵消。三相无桥APFC电路采用无桥方案，半导体器件数量少，且开关管S1、S2、S3、S4均选用绝缘栅双极型晶体管（IGBT），导通损耗小，有利于提高整个电路的效率。
图2电路拓扑结构中，三相电压Ua、Ub、Uc经过一个自耦变压器的转换，输出两相电压Uba、Uck，具体转换关系[5]满足图3所示的矢量关系。
假定：
通过式（1）—式（3）的分析计算可见，2个单相PFC模块的输入电压幅值不同，相位相差90°。
开关频率远大于工频，在开关状态切换的过程中，输入电压可以视作恒压。当输入电压为正半周期时，每个单相PFC模块可以划分为2个工作状态（开关管S1、S2的控制信号一致）。结合图2，对输入电压为Uba的模块进行分析：（1）开关管S1导通时，电流的路径为Uba-L1a-S1-Rs1-D3-L1b-Uba，其中电感L1a与L1b储存电能，负载RL由电容Co提供能
量以维持输出电压稳定，分离二极管Da可以阻断电流流入另一个单相PFC模块；（2）开关管S1关断时，二极管D1导通，有2条电流路径，路径1为Uba-L1a-D1-RL-Da-Rs1-D3-L1b-Uba，路径2为Uba-L1a-D1-RL-Db-Rs2-D7-L2b-Uck。由于分离电感L2b上的电流不能突变，可以有效减小路径2的作用，在此忽略路径2的作用。负载RL由输入电压以及电感L1a、L1b提供能量，电容Co储存能量。
当输入电压为负半周期时，电路的分析方法和工作情况与正半周期基本相同，不再赘述。
对Uba相模块与 Uck相模块交替工作情况分析，可以分为4种情况：（1）开关管S1和S3同时导通时，由于分离二极管Da、Db的阻断作用，Uba相模块电感电流经开关管S1后不会流入Uck相，并联的两相电路独立工作，互不影响；（2）开关管S1和S3同时关断时，分离电感L1a、L1b上的电流不能突变，从而阻止了Uba相模块电感电流流入Uck相，并联的两相电路独立工作，互不影响；（3）开关管S1导通、S3关断时，Uba相路径为Uba-L1a-S1-Rs1-D3-L1b-Uba，Uck相路径为Uck-L2a-D5-RLDb-Rs2-D7-Uck，并联的两相电路独立工作，互不影响；（4）开关管S1关断、S3导通时，与（3）相类似，并联的两相电路独立工作，互不影响。
通过选择合适的L1a、L1b、L2a、L2b的大小，可以使2个单相模块间的耦合干扰减到最小，对两相无桥PFC电路实现独立控制，并保证输入电流的质量。
1.2 单周期控制技术
单周期控制[9-12]是一种非线性控制技术，其控制目标为通过合适的控制，实现电路中电流对电压的完美跟踪。此时变换器相当于一个电阻，假设其值为Re，则其实现过程为
式中：Re为PFC变换器的等效电阻；ig为输入电流瞬时值；vg为输入电压瞬时值。
就Boost PFC变换器而言，输入、输出电压及占空比d的关系为
将式（4）、式（5）合并可得
假定Rs是变换器电流检测电阻，式（6）两边同乘以Rs整理得
令式（7）化简整理为
式（8）就是单周期控制策略核心的数学模型，若控制开关管工作使其满足该式，则输入电流就能实现对输入电压的完美跟踪，相当于满足式（6），提高电路的功率因数。
1.3 单周期控制在三相无桥PFC电路中的应用
腾荷单周期控制电路如图4所示，结合1.2节对单周期控制策略原理的分析介绍可知，在单周期控制下，变换器输入电流可以完美跟踪输入电压，当参考电压为一个常数时，变换器输出电压相当于一个恒压源。变换器能在一个开关周期内达到控制目的，不会把外界干扰引入下一个周期。
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在图4电路每个工作周期开始时，单相回路的开关器件导通，同时启动积分器，输出电压与参考电压值Vref比较得偏移量为Vm，然后与采样电阻得到的采样信号igRs作差为Vm－igRs，并且对Vm信号积分求平均处理得 Vint， 将 Vm－igRs与 Vint比较，当二者相等时，比较器输出复位信号（积分器复位），开关器件获得低电平关断。另外一个单相回路的工作情况与上述分析一致，而且两相电路可以相互独立控制。当本开关周期工作结束时，时钟信号Clock发出复位信号（积分器复位），转入下一个开关周期。
单周期控制方法省掉了传统控制策略中常用的乘法器，也不需要检测输入电压，基于IR1150控制芯片，用简单的电路可以实现该控制，降低成本的同时也简化了整个电路的设计，而且具有比较理想的动态响应和稳定性。理论上可以实现单位功率因数，是一种比较
先进且有较好发展前景的控制策略。
本文所设计的三相无桥PFC电路输入为频率50 Hz、幅值220 V的交流电，假设最小输入电压有效值Vi（min）为80 V，输出直流侧电压稳定在400 V，输出功率Po为200 W，开关器件的工作频率fs选定为100 kHz，远大于工频，电路最低效率ηmin为95%，电感电流允许波动为20%，基于以上电路的设定，对电路中的重要器件参数作以下分析。
2.1 输入电感值的确定
输入电感在整个电路中起到储存能量与滤波的作用，电感设计的好坏将影响整个电路的性能，其分析过程为
即效率最低的情况下求得最大输入功率。
当功率因数近似为1时，三相电路输入电感电流呈正弦波形，其最大峰值为
当电感电流达到最大峰值时，式（11）中d为对应的占空比。故电感值为
在实际电路中采用分离电感，电感L1a=L1b=L2a= L2b=0.5 mH。
2.2 输出电容值的确定
输出电容设计要考虑负载变化时能够维持输出电压的稳定，电压维持时间Δt是确定输出电容值的关键因素。本文选取维持时间Δt=20 ms，设定电网断电后输出电压不低于385 V，则输出电容为
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