PFC直接電流控制策略綜述

PFC的控制策略按照輸入電感電流是否連續(xù),分為電流斷續(xù)模式(DCM)和電流連續(xù)模式(CCM),以及介于兩者之間的臨界DCM(BCM)。有的電路還根據(jù)負(fù)載功率的大小,使得變換器在DCM和CCM之間轉(zhuǎn)換,稱為混連模式(Mixed Conduclion Mode一一MCM)。而CCM根據(jù)是否直接選取瞬態(tài)電感電流作為反饋量,又可分為直接電流控制和間接電流控制。直接電流控制檢測(cè)整流器的輸入電流作為反饋和被控量,具有系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、限流容易、電流控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。本文總結(jié)了PFC技術(shù)的直接電流控制策略,對(duì)比分析了幾種典型控制策略的優(yōu)缺點(diǎn),指出了這些控制技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。
??? 直接電流控制有峰值電流控制、滯環(huán)電流控制、平均電流控制,預(yù)測(cè)電流控制、無差拍控制、單周控制、狀態(tài)反饋控制、滑模變結(jié)構(gòu)控制、模糊控制等方式。

1 各種直接電流控制策略
1.1 峰值電流控制
??? 峰值電流控制的輸入電流波形如圖1所示,開關(guān)管在恒定的時(shí)鐘周期導(dǎo)通,當(dāng)輸入電流上升到基準(zhǔn)電流時(shí),開關(guān)管關(guān)斷。采樣電流來自開關(guān)電流或電感電流。峰值電流控制的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)容易,但其缺點(diǎn)較多：

??? 1)電流峰值和平均值之間存在誤差,無法滿足THD很小的要求;
??? 2)電流峰值對(duì)噪聲敏感;
??? 3)占空比>0.5時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生次諧波振蕩;
??? 4)需要在比較器輸入端加斜坡補(bǔ)償器。
??? 故在PFC中,這種控制方法趨于被淘汰。
1.2 滯環(huán)電流控制
??? 滯環(huán)電流控制的輸入電流波形如圖2所示,開關(guān)導(dǎo)通時(shí)電感電流上升,上升到上限閾值時(shí),滯環(huán)比較器輸出低電平,開關(guān)管關(guān)斷,電感電流下降;下降到下限閾值時(shí),滯環(huán)比較器輸出高電平,開關(guān)管導(dǎo)通,電感電流上升,如此周而復(fù)始地工作,其中取樣電流來自電感電流。

??? 滯環(huán)電流控制是一種簡(jiǎn)單的Bang-hang控制,它將電流控制與PWM調(diào)制合為一體。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,實(shí)現(xiàn)容易,且具有很強(qiáng)的魯棒性和快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力。其缺點(diǎn)是開關(guān)頻率不固定,濾波器設(shè)計(jì)困難。
??? 目前,關(guān)于滯環(huán)電流控制改進(jìn)方案的研究還很活躍,目的在于實(shí)現(xiàn)恒頻控制。將其他控制方法與滯環(huán)電流控制相結(jié)合是SPWM電流變換器電流控制策略的發(fā)展方向之一。
1.3 平均電流控制
??? 平均電流控制的輸入電流波形如圖3所示。平均電流控制將電感電流信號(hào)與鋸齒波信號(hào)相加。當(dāng)兩信號(hào)之和超過基準(zhǔn)電流時(shí),開關(guān)管關(guān)斷,當(dāng)其和小于基準(zhǔn)電流時(shí),開關(guān)管導(dǎo)通。取樣電流來自實(shí)際輸入電流而不是開關(guān)電流。由于電流環(huán)有較高的增益帶寬、跟蹤誤差小、瞬態(tài)特性較好。THD(<5％)和EMI小、對(duì)噪聲不敏感、開關(guān)頻率固定、適用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合,是目前PFC中應(yīng)用最多的一種控制方式。其缺點(diǎn)是參考電流與實(shí)際電流的誤差隨著占空比的變化而變化,能夠引起低次電流諧波。

1．4 預(yù)測(cè)電流控制
??? 預(yù)測(cè)電流控制就是通過對(duì)輸入、輸出電壓和輸入電流的采樣,根據(jù)實(shí)際電流和參考電流的誤差,選擇優(yōu)化的電壓矢量(脈沖寬度)作用于下一個(gè)周期,使實(shí)際電流在一個(gè)周期內(nèi)跟蹤卜參考電流,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)態(tài)無誤差。其優(yōu)點(diǎn)是開關(guān)頻率固定,動(dòng)態(tài)性能良好,電流諧波小,器件開關(guān)應(yīng)力小,數(shù)字化實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。其缺點(diǎn)是要求較高的采樣頻率和開關(guān)頻率,在低的采樣頻率下,會(huì)產(chǎn)生周期性的電流誤差。
1．5 單周控制(積分復(fù)位控制)
??? 單周控制是一種非線性控制,同時(shí)具有調(diào)制和控制的雙重性。其原理如圖4所示。單周控制通過復(fù)位開關(guān)、積分器、觸發(fā)電路、比較器達(dá)到跟蹤指令信號(hào)的目的。

??? 這種方法的基本思想是通過控制開關(guān)占空比,在每個(gè)周期內(nèi)強(qiáng)迫開關(guān)變量的平均值與控制參考量相等或成一定比例,從而在一個(gè)周期內(nèi)自動(dòng)消除穩(wěn)態(tài)、瞬態(tài)誤差,前一周期的誤差不會(huì)帶到下一周期。單周控制能優(yōu)化系統(tǒng)響應(yīng)、減小畸變和抑制電源干擾,具有反應(yīng)快、開關(guān)頻率恒定、魯棒性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)、抗干擾、控制電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn),是一種很有前途的控制方法。其缺點(diǎn)是需要快速復(fù)位的積分電路,單周控制在DC／DC變換器中已經(jīng)得到充分的研究．作為一種調(diào)制方式,該技術(shù)在PFC方面也有了廣泛的應(yīng)用。
1．6 無差拍控制
??? 無差拍控制的基本思想是將輸出參數(shù)等間隔地劃分為若干個(gè)取樣周期。根據(jù)電路在每一取樣周期的起始值,預(yù)測(cè)在關(guān)于取樣周期對(duì)稱的方波脈沖作用下某電路變量在取樣周期末尾時(shí)的值。適當(dāng)控制方波脈沖的極性與寬度,就能使輸出波形與要求的參數(shù)波形重合。不斷調(diào)整每一取樣周期內(nèi)方波脈沖的極性與寬度,就能獲得波形失真小的輸出。
??? 該方法是一種全數(shù)字化的控制技術(shù)。它利用前一時(shí)刻的指令電流值和實(shí)際補(bǔ)償電流值,根據(jù)空間矢量理論計(jì)算出整流器下一時(shí)刻應(yīng)滿足的開關(guān)模式。其優(yōu)點(diǎn)在于數(shù)學(xué)推導(dǎo)嚴(yán)密、跟蹤無過沖、動(dòng)態(tài)性能好,易于計(jì)算機(jī)執(zhí)行等。缺點(diǎn)是計(jì)算量大,且對(duì)系統(tǒng)參數(shù)依賴性較大。但是,隨著數(shù)字信號(hào)處理單片機(jī)(DSP)應(yīng)用的不斷普及,這是一種很有前途的控制方法。
??? 基于空間電壓矢量PWM的電流無差拍控制方法,開關(guān)頻率恒定,調(diào)節(jié)性能良好,代表了目前國際上PFC技術(shù)的先進(jìn)水平。
1.7 滑模變結(jié)構(gòu)控制
??? 上世紀(jì)50年代在前蘇聯(lián)發(fā)展起來的滑模變結(jié)構(gòu)控制,用于控制電力電子變換器有其天然的合理性。因?yàn)闃?gòu)成多種變換器的電子開關(guān)所產(chǎn)生的不連續(xù)性,使各類電力電子變換器正好被描述為變結(jié)構(gòu)系統(tǒng),而在變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中滑模變結(jié)構(gòu)控制的滑動(dòng)模態(tài)具有不變性,即對(duì)系統(tǒng)的變化和外部干擾不敏感,具有很強(qiáng)的魯棒性。這樣,滑模變結(jié)構(gòu)控制就能很容易地應(yīng)用于整流器、逆變器及
由開關(guān)變換器驅(qū)動(dòng)等相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用研究,并獲得良好的控制效果。
??? 變流器的時(shí)變參數(shù)問題是人們一直努力解決的問題?？紤]到開關(guān)變換器的開關(guān)切換動(dòng)作與變結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)沿切換面高頻切換有動(dòng)作上的對(duì)應(yīng)關(guān)系,因而可以考慮用滑模變結(jié)構(gòu)這種方法來控制變流器。
??? 在整流器的功率因數(shù)校正系統(tǒng)中,輸入電流的穩(wěn)態(tài)特性和輸出電壓暫態(tài)特性之間存在著矛盾的關(guān)系,應(yīng)用滑模變結(jié)構(gòu)控制方法．可以在輸入電流的穩(wěn)態(tài)特性和輸出電壓暫態(tài)特性之間進(jìn)行協(xié)調(diào),在使輸入電流滿足有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的前題下,盡可能地提高輸出電壓動(dòng)態(tài)響應(yīng)。
1.8 占空比控制
??? 這種控制方法不用電流傳感器,由于是基于斜坡比較技術(shù)。因而開關(guān)頻率固定;另外,以往的控制方法都是在理想的三相平衡狀態(tài)下得出的數(shù)學(xué)模型。用占空比控制方法比傳統(tǒng)的控制方法在分析三相不平衡系統(tǒng)中具有更大的優(yōu)勢(shì),比如在建模、電壓調(diào)節(jié)器參數(shù)調(diào)整等方面。
l.9 基于Lvapunov的非線性大信號(hào)方法控制
??? 傳統(tǒng)控制方法的數(shù)學(xué)建模一般是基于系統(tǒng)的小信號(hào)線性化處理。這種方法的共同缺點(diǎn)是對(duì)系統(tǒng)的大信號(hào)擾動(dòng)不能保證其穩(wěn)定性?；谶@種考慮,文獻(xiàn)[16]提出了用大信號(hào)方法直接分析這種非線性系統(tǒng),仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)對(duì)大信號(hào)擾動(dòng)具有很強(qiáng)的魯棒性。
??? 與現(xiàn)代控制理論相關(guān)的控制方法如狀態(tài)反饋控制(極點(diǎn)配置),二次型最優(yōu)控制,非線性狀態(tài)反饋,模糊控制,神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等,都可以用在PFC電路中。但這些方法還不成熟,處于積極的探索之中?；诖蠊β孰娮釉O(shè)備的要求,目前多電平變換器和各種簡(jiǎn)單拓?fù)涞拇?lián)、并聯(lián)等拓?fù)湎嗬^提出,對(duì)于這些電路的控制,除采用現(xiàn)有的控制策略外,還嘗試發(fā)展更有針對(duì)性的控制技術(shù)。

2 總結(jié)與展望
??? CCM控制中,直接電流控制適用于對(duì)系統(tǒng)性能指標(biāo)和快速性要求較高的大功率場(chǎng)合,應(yīng)是發(fā)展的主流。中大功率的電力電子設(shè)備在電網(wǎng)中占有很大比重,因此,三相PFC應(yīng)是PFC研究的重心。隨著三相PFC整機(jī)成本的提高和開關(guān)頻率的降低,依托高速的數(shù)字處理器,數(shù)字控制成為發(fā)展的主流。由于各種控制策略都有優(yōu)缺點(diǎn),將各種控制策略合理搭配,取長補(bǔ)短,可以收到理想的控制效果,這也是控制技術(shù)發(fā)展的一個(gè)方向。