VIENN整流器单周控制输出电压波动机理分析及改进

1. 引 言

　　随着对用电设备谐波污染的日益重视，功率因数校正(PFC) 技术成为了电力电子领域研究的热点，由于三相电力电子装置在电网中占有很大比重, 三相中大功率PFC 成为了近年研究的重心。

　　VIENNA电路（图1）是一种比较优秀的PFC拓扑，国外一些大公司如ABB等已推出了相关产品，但在国内相关产品还很少，性能也不够理想。但因为其结构复杂，控制方法也比较困难，目前一般采用的是滞环电流控制[1]，近年，又有人提出在对其进行解耦之后采用单周控制的方法[2]。本文详细分析了单周控制中电压波动的机理，提出了一种新的控制方法，将VEINNA电路解耦之后采用滞环电流控制，控制电路相对于已有的几种控制方法，具有电路简单可靠，控制效果好等优点。

　　单周控制电压波动的原因分析：首先，原有单周控制的控制方程建立在理想情况之上，两个等效之后的两个开关管导通均在同一时刻，因此原有电压稳定的判断建立在图2两个开关管同时开始动作的基础上，但在实际运行过程中，两个开关管的开通均有一个时间间隔，因此电压变化不会完全按照预想的情况变化，而是会有一个周期比较长的波动过程。此外，由于触发器的存在，有可能会造成脉冲丢失的现象，造成电压的波动。本文针对这几个方面，提出了改进方案（图4）。

[p] 2. 电路控制方程推导

　　从[2]中可知原电路（图1）可解耦成为串连双boost电路（图2）实际电路中的电流电压波形如图3所示。根据伏秒平衡，有如下方程：

　　此式就是实际状态下的控制方程。在原控制方法中，近似认为 ，并在输出电压稳定的证明中使用，造成每个周期中输出电压都有一个过调量，使得在两个输出电容上的电压发生震荡。

[p] 3. 采样电压改变对电路性能的影响

　　以下以区间为例，分析采样电压改变对电路性能的影响。

　　在采样两个输出电容电压的情况下，

　　由(7),(8)式可得：

　 （9）

　　从计算过程中可以看到，在分别采样两个输出电容上电压之后，可以大大降低 的存在对于电压调节的影响，其本质就是利用误差量 对两个输出电容电压的不同影响，将调节误差抵消。

[p] 4. 与传统单周控制方式相比

　　以下以区间为例，与传统单周控制方式相比，对去掉RS触发器后的电路性能进行分析。

　　传统单周控制过程如下：当时钟脉冲到达时，积分器置零，开始输出控制脉冲，并重新对误差信号进行积分，当相等时，控制脉冲保持低电位，直到下一个时钟脉冲来到时重新回到高电位，重复上一个周期的动作。

　　单周控制通过控制占空比，在每个周期内使逆变器开关变量的平均值与控制参考信号相等或成一定比例，从而消除稳态和瞬态误差，并且前一周期的误差不会带到下一周期[2]。

　　电路在实际运行中，由于电感值不够大，积分器复位周期过长等原因，通常不可能出现如图5所示的理想波形，而是出现如图6所示的波形。在这种情况下如果仍然使用RS触发器，就只能取得每个复位周期中的第一个控制脉冲，而其他脉冲将丢失，造成输出电压波动。图7为去掉RS触发器之后的控制脉冲。在去掉RS触发器之后，在每个锯齿波周期之间类似传统单周控制，而在每个锯齿波周期内类似于传统的滞环电流控制方法，这样能较好的结合传统单周控制和锯齿波比较控制的优点，既可以在一定周期范围内消除稳态和瞬态误差、前一周期的误差不会带到下一周期，同时输出信号对给定信号的跟随也比较好，消除了单周控制在某些时候由于控制脉冲丢失造成输出电压不稳定的缺点。

[p] 5. 仿真结果

　　该仿真使用Matlab/simulink软件。输出电容，电感L＝0.5mH输出电压参考值

　　图8－(a)为使用RS触发器控制输出脉冲时输出总电压的波形，图8－(b)为不使用RS触发器时输出总电压波形，可以很明显的看到当使用RS触发器时，输出电压的波动较大，且平均值略低于设定的电压比较值，说明控制脉冲有丢失的情况，使占空比减小，造成电压欠调节。图8－(c)为只采样输出总电压时两个输出电容的电压波形，图8－(d)为采样两个输出电容上的电压分别控制两个开关管时输出电容的电压波形。可以看到当只采样输出总电压控制两个开关管时，虽然两个输出电容总电压接近1000V，但他们之间的电压差不能很好的保持平衡。图8－(e)为采用改进后的控制方法输入电流的波形，从图中可以看出，电流波形能比较好的保持正弦。

图8.仿真波形
Fig.8 The waveform of simulation

[p] 6. 结语

　　公式计算及计算机仿真均证明本文对于原控制方法的分析是正确的，对于控制电路的改进也是非常有效的，电路输出总电压的波形和两个输出电容电压的平衡均有了较大改善，同时，输入电流波形也非常理想。根据本文的控制方法改造的10kwPFC电源正在实验室调试。


参考文献：

(1) Franz stogerer ,Johann minibock, Johann w.kolar :A Novel Concept for Mains Voltage Proportional Input Current Shaping of a VIENNA Rectifier Eliminating Controller Multipliers　 Part II: Operation for heavily Unbalanced Mains Phase Voltages and in Wide Input Voltage Range
(2) Chongming Qiao, and Keyue Ma smedley:A General Three-Phase PFC Controller for Rectifiers With a Series-Connected Dual-Boost Topology　IEEE TRANSACTIONS ON INDUSTRY APPLICATIONS ,VOL .38, NO.1, 2002
(3) 周林，蒋建文，周雒维，叶一麟:基于单周控制的三相四线制有源电力滤波器　中国电机工程学报2003，23（11）
(4) Keyue M. Smedley, and Slobodan cuk :One-cycle Control of Switching Converters　IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, VOL, 10 NO.6,NOVEMBER 1995