基于前馈混合控制的BOOST型PFC控制器

1 引 言
　
　　近年来对大功率电源需求在不断增加，但是由于采用传统的非控整流开关电源，其输入阻抗呈容性，网侧输入电压和输入电流间存在较大相位差，加上输入电流严重非正弦，并呈脉冲状，故功率因数极低，谐波分量很高，给电力系统带来了严重的污染。因此具有单位功率因数的电源迅速发展起来。同时，功率因数控制器的输出端负载从轻载上升到满载的时候，由于输出电容上的电压未能马上上升到所需要的电压，因此接在功率因数控制器后面的DC-DC变换器的输出就出现了电压下降，经过瞬间变化才达到稳定输出。有时侯由于这个时间过长，会出现失调情况，影响设备的正常工作。因此解决这个失调问题成为当务之急。
　　
　　为满足对直流电压纹波的要求,通常在直流侧接入一个大容量电容器进行滤波.这样虽满足了对电压纹波的要求,却严重影响了系统动态响应的速度[1].为提高整流器的动态响应速度,控制系统必须保证在负载变化时,能够快速而准确地维持输入与输出的功率平衡.若系统中的功率平衡完全依靠电压调节器进行调节,则系统响应速度较慢,会造成输出电压较大的波动[1～3].本文从仿真研究出发,引入负载电流的前馈控制.仿真和实验结果表明,利用负载电流前馈控制可以明显提高系统的动态响应速度.
　
　　本论文提出了一种新颖的控制方法，就是在传统的模拟芯片的控制基础上加入了前馈控制，整个系统结构见图1.第一部分对加入前馈环节进行分析，第二部分进行仿真和实验研究，

图1　　系统结构图

[p] 2 前馈混合控制的研究与分析
　
2.1　平均电流控制：

图2　 平均电流控制模型

　　APEC控制的目的是使网侧电流紧跟网侧电压的变化而变化,从而达到功率因数校正的目的。APEC电路采用双环控制策略:外环输出电压反馈构成电压环,内环电感电流反馈则构成构成电流环。电压反馈提高了输出电压的稳定性;电流反馈则有利于提高瞬态响应速度,增强控制精度。图2的控制过程为:输出电压经电压误差放大器(E/A)进行PI调解后,送入乘法器(Z)的一个输入端,整流后的网侧电压经采样环节,以半正弦波的形式送入乘法器的另一个输入端。乘法器输出（Ｖｍ）一方面反映误差电压（ＶＥＡ）的大小,另一方面也对网侧电压进行采样。Ｖｍ也为一半正弦波的形式,并送入电流误差放大器（C/A）的一个输入端。C/A的另一输入端则为电感电流的采样信号。此二信号经电流误差放大器及其补偿网络进行运算后,输出信号ＶＣ。ＶＣ实为一综合半正弦波,它体现了电感电流紧紧跟随Vｍ而变化。VC送入脉宽调制器（PWM）的同相输入端,PWM的反相输入端接高频锯齿波振荡器（Se）,PWM输出(占空比为d)控制主开关（Q）的通断。在本设计中，采用芯片L4981A来实现平均电流控制的目的，它的特色就是就是有LFF引脚，能够加入前馈环节，负载发生变化的时候，开关能够快速响应。

2.2加入前馈控制

图 3　前馈控制系统框图

[p] 　　从图3可以看到,负载电流io对于整个控制系统来讲是一个外部扰动信号.当io发生变化时,首先影响到直流输出电压Vc,使Vc偏离设定值,然后通过电压调节器进行调节,可以逐步减小直到消除Vc同设定值之间的差,系统重新进入稳态.由于电压调节环的调节速度比较慢,在负载电流突然增大的开始一段时间内,整流器还不能提供负载消耗的全部能量.此时,直流侧电容C释放出所储存的能量和整流器一起向负载提供能量.当负载电流突然减小时,由于整流器提供的能量超出负载所消耗的能量,则多余的能量流向电容C,对其进行充电.正是由于这种在动态过程中输入与输出能量的不平衡,造成了直流输出电压的波动.

　　根据控制理论知识,前馈控制可以消除扰动对系统的影响,从而提高系统的动态特性.负载电流的前馈控制如图3中虚线部分所示,其中GI(s)为前馈补偿器的传递函数.根据图3,可以得到直流输出电压

　 (1)

　　若选取前馈控制器的传递函数为

　　此时,可完全消除负载电流io的变化对系统直流输出电压Vc的影响.但前馈控制器GI(s)是否能够完全补偿io的扰动,取决于Gi(s)的结构和参数.由前面的分析可知,Gi(s)是一个小时间常数的一阶惯性环节,当系统运行在稳态时,Gi(s)相当于一个放大倍数为Ki的比例环节,此时可以精确地测定放大倍数Ki.实际上,由于系统中存在着非线性特性,在整个负载变化范围内,Ki并不是固定的.实验中测得的Ki与负载电流io的关系如图4所示.从图中可以看到:负载电流在1～7A区间时,整流器的放大倍数Ki基本上为一常数;在7～10A区间内,Ki略有增大.　 可见,由于系统的非线性特性,在整个负载范围内,整流器的放大倍数是变化的.再加上整流器时间常数Ti也是随电压调节器输出i的幅值变化而变化的,因此,从理论上讲,设计一个能够完全补偿io扰动的前馈补偿器是不可能的.我们可以通过适当地设计前馈补偿控制器GI(s),对io扰动作近似补偿或者作稳态补偿,其余的部分再由反馈控制器作稍许调节,从而提高系统的动态性能.

图4　 负载电流与输出电压关系

　　在控制系统中,忽略输出电容C的充放电电流时,i2只与负载吸收的功率相对应.加入前馈控制器GI(s)后,在稳态的理想情况下,GI(s)的输出就与i2完全相等,也就是说,电压调节器Gv(s)的输出为0.

　 [p] [p] 　　从图中可以看到,系统对负载电流的扰动具有很快的调节能力.电压只有突加负载的瞬时有一些极微小的波动.电流也瞬时接近稳态,保证了输入与输出功率的平衡.电压波动出现少许波动,主要由两方面原因综合所造成:(1)由于前馈控制器中没有包含整流器传递函数中有关时间常数的信息,但是整流器又存在着惯性,所以既使是电源电流的参考信号可以立即反映负载所需要吸收的功率,实际的输入电流都会有一定的延时,导致功率的不平衡,使输出电压跌落;(2)系统满载时,整流器当时的实际放大倍数比设计前馈控制器时放大倍数大,使得前馈控制器的输出所反映的输出功率大于负载实际需要的功率,这就使得直流电压有上升的趋势.以上两者相综合,产生两者对直流输出电压的影响结果.如果两者的作用恰好抵消,直流电压就不会出现明显的波动.

　　图8和图9所示分别为加入前馈控制器前后的实验波形.图10所示为没有加入前馈控制器时,直流输出电压跌落对电源电流造成的影响.图中箭头指示的是负载突加时间.实验结果和仿真结果相当接近.图9中输出电压的波动很不明显,主要是由于实验系统中的惯性时间常数比仿真所得到的时间常数小,使得整流器的延时和整流器放大倍数变大两者的影响相抵消造成的.

4　结 论
　　
　　本文利用仿真和实验研究的方法，对BOOST型PFC加入前馈控制环节，得出如下结论：

　　(1)未加入前馈控制器时,电压调节器的调节速度较慢,使得输出电压出现了较大的波动,当输出电压低于控制电源电流为正弦波形所要求的最小值时,电源电流会出现明显的畸变;

　　(2)利用负载电流的前馈控制可以改善系统的动态特性,对前馈控制器进行了实验和仿真研究,仿真结果和实验结果相当一致.

参考文献：[1]MalesaniL,RossettoL,TentiP.AC/DC/ACPWMconverterwithreducedenergystorageintheDClink.IEEETransonIA,1995,31(2):287～2922　
[2]HitiS,BorojevicD.Robustnonlinearcontrolforboostconverter.IEEETransonPE,1995,10(6):651～658.4　[3]DiegoRV,JuanWD,OoiBT.AnovelloadcurrentcontrolmethodforaleadingpowerfactorvoltagesourcePWMrectifier.IEEETransonPE,1994,9(2):153～159