《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于單周期控制的無(wú)橋Cuk PFC變換器的設(shè)計(jì)
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第2期
于仲安，葛庭宇,，梁建偉
江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,，江西 贛州341000
摘要： 針對(duì)功率因數(shù)校正變換器的電路結(jié)構(gòu)含有低頻整流橋?qū)е滦屎艿偷膯?wèn)題，Boost PFC變換器只能升壓不能降壓的特點(diǎn),，提出一種無(wú)橋Cuk PFC變換器，可以將高電壓轉(zhuǎn)換為低電壓,，并提高變換器的功率因數(shù),。針對(duì)變換器在輸入電壓的擾動(dòng)抑制能力差、動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢等問(wèn)題,，提出單周期控制方法提高變換器抑制輸入擾動(dòng)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,。介紹了單周期控制的無(wú)橋Cuk PFC變換器控制方程推導(dǎo)和控制電路的設(shè)計(jì)，使用MATLAB/Simulink對(duì)變換器運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行仿真,，從結(jié)果可以看出單周期控制方法的無(wú)橋 Cuk PFC變換器能夠?qū)崿F(xiàn)良好的功率因數(shù)校正,，減少變換器的損耗，實(shí)現(xiàn)良好的電源干擾抑制,。
中圖分類(lèi)號(hào)： TM402
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.181630
中文引用格式： 于仲安,，葛庭宇，梁建偉. 基于單周期控制的無(wú)橋Cuk PFC變換器的設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,，2019,，45(2)：109-112.
英文引用格式： Yu Zhongan，Ge Tingyu,，Liang Jianwei. Design of bridgeless Cuk PFC converter based on one-cycle control[J]. Application of Electronic Technique,，2019，45(2)：109-112.
Design of bridgeless Cuk PFC converter based on one-cycle control
Yu Zhong′an,，Ge Tingyu,，Liang Jianwei
School of Electrical Engineering and Automation，Jiangxi University of Science and Technology,，Ganzhou 341000,，China
Abstract： For the power factor correction converter circuit structure contains low-frequency rectifier bridge causing the problem of low efficiency, Boost PFC converter can only boost the pressure but can not step down,，the proposed bridgeless Cuk PFC converter can convert high voltage to low voltage and increase converter power factor. Aiming at the problem that the converter′s ability to suppress the input voltage is poor and the dynamic response speed is slow, a single-cycle control method is proposed to improve the converter′s ability to suppress the input disturbance and the dynamic response speed. This paper introduces the derivation of the control equation for the single-cycle control of the bridgeless Cuk PFC converter and the design of the control circuit. Using MATLAB/Simulink to simulate the operation of the converter, the results show that the single-cycle control method of the bridgeless Cuk PFC converter can achieve good power factor correction, reduce the loss of the converter, and achieve good power supply interference suppression.
Key words : bridgeless Cuk converter；one-cycle control; power factor; total harmonic distortion

0 引言

    當(dāng)前,，變換器的器件制造技術(shù)不斷提高,。用于電子產(chǎn)品的大部分切換模式電源用于在不同應(yīng)用中將交流電轉(zhuǎn)換為直流電源。使用變壓器,、橋式整流器和電容器可以容易地實(shí)現(xiàn)直流輸出電壓,，但輸入電流嚴(yán)重失真。但是,，交直流轉(zhuǎn)換可以通過(guò)功率因數(shù)校正（Power Factor Correction,，PFC）變換器[1]有效解決這個(gè)問(wèn)題。Boost PFC變換器由一個(gè)低頻整流橋,、一個(gè)升壓變換器聯(lián)級(jí)而成,。這個(gè)低頻整流橋降低Boost PFC變換器效率，輸入電流無(wú)法很好跟隨輸入電壓,，在低壓輸入場(chǎng)合損耗更嚴(yán)重[2-3],。為了提高變換器的效率，無(wú)橋PFC變換器可以規(guī)避這個(gè)缺點(diǎn)[4],。但無(wú)橋 Boost PFC電路有啟動(dòng)浪涌電流大,、 無(wú)法實(shí)現(xiàn)輸入與輸出隔離等缺點(diǎn)[5]。

    為了具有低輸出電壓的PFC變換器,，可以使用傳統(tǒng)的Cuk PFC變換器[5]和SEPIC PFC變換器,。這兩種變換器可以工作在不連續(xù)導(dǎo)通模式(Discontinuous Conduction Mode，DCM)和連續(xù)導(dǎo)通模式(Continuous Conduction Mode,，CCM)中,。它們?cè)诠潭ㄕ伎毡认戮哂泄逃械腜FC特性，無(wú)需任何控制電路,，在DCM中可以形成正弦曲線(xiàn)的輸入電流[6-8],。在DCM中工作的缺點(diǎn)是半導(dǎo)體元件的高電流應(yīng)力和輸入電流的不連續(xù)性，這增加了總諧波失真（Total Harmonic Distortion,，THD）,。Cuk PFC變換器的輸入電流在DCM中工作時(shí)是連續(xù)的,。Cuk變換器在PFC應(yīng)用中有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn),，易于實(shí)現(xiàn)變壓器隔離，防止在啟動(dòng)或過(guò)載時(shí)出現(xiàn)的浪涌電流,，降低輸入電流紋波以及與 DCM拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相關(guān)的更小的電磁干擾(Total Harmonic Distortion,，EMI)[9]。因此,，對(duì)于在變換器的輸入和輸出端口需要低電流紋波的應(yīng)用,，Cuk變換器似乎是基本變換器拓?fù)渲凶钸m合的,。有許多傳統(tǒng)的閉環(huán)控制策略，包括脈寬調(diào)制策略[10],、峰值電流模式控制[11],、平均電流模式控制[12]、滑動(dòng)模式控制[13]等,。根據(jù)無(wú)橋Cuk PFC變換器對(duì)稱(chēng)性,，對(duì)工作于不連續(xù)導(dǎo)通模式的Cuk PFC變換器的工作原理進(jìn)行分析，提出一種單周期控制策略結(jié)合輸出電壓反饋補(bǔ)償控制策略,，單周期方程的推導(dǎo)和單周期電路的設(shè)計(jì),，使用MATLAB/Simulink進(jìn)行仿真變換器運(yùn)行過(guò)程，從結(jié)果可以看出單周期控制方法的無(wú)橋Cuk PFC變換器能實(shí)現(xiàn)良好的功率因數(shù)校正,，同時(shí)變換器開(kāi)關(guān)可以零電壓導(dǎo)通且輸出二極管可以零電壓阻斷,，減少變換器的損耗，具有良好的電源干擾抑制,，有更強(qiáng)的魯棒性,。

1 無(wú)橋Cuk PFC變換器

    圖1是本文提出無(wú)橋Cuk PFC變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通過(guò)兩個(gè)Cuk變換器共用一個(gè)開(kāi)關(guān)管S1,，工作在交流輸入電壓的正,、負(fù)半周期。在正半周期中,，第一個(gè)DC-DC Cuk變換器電路L1-S1-C1-L0-D0通過(guò)二極管DN,，二極管DN將輸入交流電源連接到輸出。在負(fù)半周期中,，第二個(gè)DC-DC Cuk變換器電路L2-D2-S1-C2-L0-D0通過(guò)二極管DP,，二極管DP將輸入交流電源連接到輸出。另外,，圖1所示輸出電壓總是通過(guò)慢恢復(fù)二極管DP和DN直接連接到輸入交流線(xiàn)路,，因此，無(wú)橋Cuk PFC變換器沒(méi)有共模EMI噪聲的問(wèn)題,。

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2 無(wú)橋Cuk PFC變換器的工作原理

    無(wú)橋Cuk PFC變換器是對(duì)稱(chēng)的,，分析變換器運(yùn)行原理以正半周期DCM為例子，開(kāi)關(guān)周期中的電路操作可以分為三種模態(tài),，各個(gè)模態(tài)理論波形如圖2所示,。

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    模態(tài)1[t0，t1]：圖1所示,，t0時(shí)刻開(kāi)始時(shí),，開(kāi)關(guān)管S1導(dǎo)通，輸出二極管D0關(guān)斷，二極管DN由電感電流iL1正向偏置,，二極管DP被輸入電壓反向偏置,。輸出二極管D0由反向電壓(Vac+V0)反向偏置。在這個(gè)階段通過(guò)電感L1和Lo的電流隨著輸入電壓而線(xiàn)性增加,，由于C2上的恒定電壓為零,，L1和Lo在此階段的電感電流由下式表示：

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    模態(tài)3[t2，t3]：圖1所示,，在這一階段,，只有二極管DN導(dǎo)通以提供iL1的路徑。在此期間中的電感表現(xiàn)為恒定電流源,，電感兩端的電壓為零,。電容C1由電感電流iL1充電。該模式持續(xù)到新的切換周期開(kāi)始,。開(kāi)關(guān)和輸出二極管的開(kāi)關(guān)時(shí)間由式(4)給出,。

    qrs4-gs4.gif

    根據(jù)式(2)和式(3)，模態(tài)2的時(shí)間間隔歸一化長(zhǎng)度可以如下獲得：

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3 單周期控制方法

3.1 單周期控制方程推導(dǎo)

    根據(jù)前面對(duì)無(wú)刷Cuk變換器的理論分析,，可以得到在一個(gè)周期內(nèi)無(wú)刷Cuk變換器中電感L1,、Lo上的電流波形如圖2所示，計(jì)算輸入電流平均值時(shí),，即iL1的平均值：

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    其中,，ifw是一個(gè)周期結(jié)束時(shí)變換器中的輸入電流；TS為一個(gè)開(kāi)關(guān)周期,；Vac為輸入電壓,；V0為輸出電壓；D1是一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)占空比,。

    從式(6)得出,，當(dāng)占空比D1為常數(shù)時(shí)，IL1與Vac不成比例關(guān)系,，輸入電流有諧波畸變,；功率因數(shù)校正就是使輸入電流和輸入電壓同頻同相，即滿(mǎn)足：

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    式(10)是單周控制的控制方程,。

3.2 單周期控制電路的設(shè)計(jì)

    通過(guò)對(duì)單周期的控制方程設(shè)計(jì)出控制原理圖,，如圖3所示。通過(guò)采樣輸出電壓,，與輸出電壓反饋補(bǔ)償值比較得到誤差,，將誤差進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，通過(guò)選擇合適的PI參數(shù)得到uc,。經(jīng)過(guò)兩次積分之后得到的值u2,，第一個(gè)積分器的輸出為：u1=uct/R3C3，第二個(gè)積分器的輸出為：u2=uct2/2R3C3R4C4,。其中,，R3和C3是在模擬電路中構(gòu)成第一積分器的電阻和電容，R4和C4是構(gòu)成第二個(gè)積分器的電阻和電容,兩個(gè)積分器的時(shí)間常數(shù)都等于變換器的開(kāi)關(guān)周期TS,。

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    u2通過(guò)與比較值相比較,，差值作為RS觸發(fā)器的R端輸入信號(hào)。S端信號(hào)是脈沖時(shí)鐘信號(hào),，頻率為100 kHz,。從RS觸發(fā)器的輸出端Q產(chǎn)生PWM信號(hào)來(lái)控制無(wú)橋Cuk變換器的開(kāi)關(guān)的通斷，另一個(gè)輸出端qrs4-gs7-10-x1.gif輸出信號(hào)用來(lái)控制復(fù)位積分器中復(fù)位開(kāi)關(guān)的通斷,。比較值是通過(guò)D1TS/2L1Uref計(jì)算得出,。積分電路在每個(gè)周期內(nèi)進(jìn)行上面的過(guò)程，而輸入電壓是正弦波形,，是連續(xù)變化的,，所以通過(guò)單周期控制方法得出的開(kāi)關(guān)占空比也不停地變化，這也就實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)控制,。 

3.3 仿真驗(yàn)證

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    如圖4(c)是變換器開(kāi)關(guān)Sw承受的電壓和流過(guò)電流波形圖,，虛線(xiàn)是開(kāi)關(guān)承受電壓縮小10倍后的波形，實(shí)線(xiàn)是通過(guò)開(kāi)關(guān)的電流波形,，可以看出當(dāng)變換器開(kāi)關(guān)剛導(dǎo)通時(shí),，開(kāi)關(guān)承受的電壓為0，實(shí)現(xiàn)了零電壓開(kāi)通,。圖4(d)是輸入電壓擾動(dòng)時(shí)輸入電壓和電流的波形,，虛線(xiàn)是輸入電壓縮小10倍后的波形，實(shí)線(xiàn)是輸入電流的波形,。在0.076 s時(shí),，輸入電壓有效值從100 V突變?yōu)?20 V時(shí)，輸入電流發(fā)生輕微擾動(dòng),，很快就恢復(fù)穩(wěn)態(tài)跟蹤輸入電壓,。在0.09 s時(shí)，輸入電壓有效值從120 V突變?yōu)?0 V時(shí),，輸入電流幾乎沒(méi)有擾動(dòng),，一直穩(wěn)態(tài)跟蹤輸入電壓。在0.11 s時(shí),，輸入電壓有效值從80 V突變?yōu)?20 V時(shí),，輸入電流產(chǎn)生很大擾動(dòng)，在一個(gè)周期內(nèi)恢復(fù)穩(wěn)態(tài)跟蹤輸入電壓,，完成了擾動(dòng)抑制,，動(dòng)態(tài)性能良好。

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4 結(jié)論

    本文提出無(wú)橋Cuk PFC變換器很好解決了功率因數(shù)校正變換器的電路結(jié)構(gòu)含有低頻整流橋?qū)е滦屎艿偷膯?wèn)題，根據(jù)其電路結(jié)構(gòu)分析它的工作原理,，提出單周期控制策略結(jié)合輸出電壓反饋補(bǔ)償控制方法解決變換器抗輸入擾動(dòng)抑制能力差和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度慢等問(wèn)題,。仿真實(shí)驗(yàn)證實(shí)了無(wú)橋Cuk PFC變換器可以獲得很高的功率因數(shù)和很低的總諧波失真，抑制電源干擾,，有更強(qiáng)的魯棒性,，變換器開(kāi)關(guān)可以零電壓導(dǎo)通。將無(wú)橋Cuk PFC變換器電路運(yùn)用到新能源混合發(fā)電系統(tǒng)中,，取得很好的應(yīng)用效果,。

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作者信息:

于仲安,，葛庭宇，梁建偉

(江西理工大學(xué) 電氣工程與自動(dòng)化學(xué)院,，江西 贛州341000)

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