图腾柱功率因数校正器的二自由度控制分析.pdf

第 2 7 卷第 0 4期变频器世界2 0 2 4年0 4月图腾柱功率因数校正器的二自由度控制分析Analysis of Two-Degree-of-Freedom Control over Power Factor Corrector高煜寒（GaoYuhan)，焦伟（JiaoWei)2*，严伟（YanWei)，李煌（LiHuang)”，吴双（WuShuang)，杨喜军（YangXijun)21.中电科技集团重庆声光电有限公司系统工程部，重庆，40 0 0 6 02.上海交通大学电气工程系，上海，2 0 0 2 403.北京大学软件与微电子学院，北京，10 0 8 7 1摘要：TPFC一般采用一自由度输出电压控制，在负载变化时输出电压动态特性较差，且启动过程存在明显超调。本文在推导TPFC双闭环控制结构基础上，引用了负载电流前馈控制和输出电压反馈补偿控制，构成两种二自由度（2 DOF）控制结构。仿真分析表明，负载电流前馈型2 DOF控制可以有效抑制负载变化引起的输出电压波动，但启动过程超调明显；输出电压反馈补偿型2 DOF控制可以实现输出电压无超调启动，但是抑制负载变化的能力较差；综合负载电流前馈型和输出电压反馈补偿型的2 DOF控制获得满意的输出电压控制效果，表现为启动过程无超调和变载过程无波动。关键词：TPFC二自由度控制；负载电流前馈控制；输出电压反馈补偿控制Abstract:Totem pole PFC(TPFC)generally adopts one-degree-of-freedom output voltage control.When the load changes,the dynamic characteristics of output voltage are poor,and there is obvious overshoot during the starting process.Basedon the derivation of the double closed-loop control structure of TPFC,this paper introduces the load current feedforwardcontrol and output voltage feedback compensation control to form two two-degree-of-freedom(2DOF)control structures.The simulation results show that the load current feedforward 2DoF control can effectively suppress the outputvoltage fluctuation caused by load change,but the overshoot is obvious during start-up.The output voltage feedbackcompensation 2DoF control can realize the start without output voltage overshoot,but the ability to suppress loadchange is poor.The 2DOF control combining load current feedforward type and output voltage feedback compensationtype obtains satisfactory output voltage control effect,which is that there is no overshoot in the starting process and nofluctuation in the load changing process.Keywords:Totem pole power factor corrector;Two-degree-of-freedom control;Load current feedforward control;Outputvoltage feedback compensation control【中图分类号】U223.6+3【文献标识码】B【文章编号】156 1-0 3 3 0(2 0 2 4)0 4-0 0 6 5-0 51引言从拓扑角度看，图腾柱功率因数校正器（TPFC)类似于单相PWM整流器。TPFC是一种功率开关置于桥中的PFC，即一种无桥PFC，其高频斩波桥臂采用GaNFET,工频斩波桥臂采用SiCMOSFET，因而TPFC具有很高的变换效率，高达98.8%l-2。与其它PFC一样，TPFC主要应用电感电流跟随电网电压的跟随控制原理、追求输入侧为纯阻性的单周期控制原理等，采用电压外环和电流内环的双闭环控制结构，电流内环一般设计成小惯性环节，一般地，其时间常数小于1/2 开关周期 3-5。TPFC一般后接DC-DC变换器或三相电压源逆变器，其输出电流为脉冲序列，稳态运行时输出电流平均值为常数。在负载变化情况下，负载电流首先改变，然后输出电压随之变化，紧接着电压外环输出相应变化调节输出电压的控制量，电流内环调节电感电流的控制量，形成驱动脉冲驱动TPFC运行，输出电压跟随参考电压，电感电流跟随电流内环的给定电流。当负载恒定时，输出电压能很好地跟随给定值；然而当负载变化时，输出电压也会随之波动，经过一段时间才能回到稳态。只有一个电压调节器来控制输出电压的系统，其动态特性很差，此时可以采用二自由度控制（Two-degree-of-Freedom，2DOF）来抑制负载变化引起的电压波动，提高系统的动态特性 6-8。二自由度控制可以使得TPFC获得良好的电压跟WWW.CA168.COM65综述SURVEYLECTURE随控制和干扰抑制性能，它包括PID控制、时滞系统、H。理论以及智能控制的2 DOF控制方法。按照控制器在控制结构中位置，2 DOF控制又可分为参考值滤波器型、参考值前馈型控制结构、反馈补偿型、回馈补偿型等典型结构 9-10。本文在采用电压控制器实现对输出电压跟随性能的基础上，设计负载电流前馈型和输出电压反馈补偿型的2 DOF控制，以此获得满意的输出电压控制效果，进行了理论分析和仿真验证 I-1。2.TPFC二自由度控制器设计2.1TPFC的调制原理简述TPFC功率电路如图1所示，图中，S1与S2为GaNFET，处于高频互补斩波状态。S3与S4为SiCMOSFET，处于工频互补斩波状态。与传统有桥APFC不同，TPFC需要隔离型或高输入阻抗的网压检测电路和网流检测电路。S1心L1LicluiCiTPFC控制结构如图2 所示，图中采用了传统的双闭环控制结构。TPFC具有不同的调制算法，主要区别在于GaNFET桥臂驱动信号与MOSFET桥臂驱动信号产生的方法不同。i心滤波器放大器kiLlS2S1PWMPWMPWMPWM小小比较器2PI调节器方法1：电感电流PWM控制。对于GaNFET桥66THEWORLDOFINVERTERS臂，将电流内环PI调节器输出信号与三角载波进行比较，得到S2的驱动脉冲，求补后得到S1的驱动脉冲。对于MOSFET桥臂，S3与S4始终关断，用作二极管。方法2：电感电流PWM控制。在正半周中，将电流内环PI调节器输出信号与三角载波进行比较，得到S2的驱动脉冲，S1关断，S3关断，S4导通。在负半周中，将电流内环PI调节器输出信号与三角载波进行比较，得到S1的驱动脉冲，S2关断，S3导通，S4关断。方法3：电感电流滞环控制。对于GaNFET桥臂，将电流内环PI调节器输出信号与三角载波进行比较，得到S2的驱动脉冲，求补后得到S1的驱动脉冲。正半周中S4导通和S3关断，负半周中S3导通和S4关断。2.2TPFC控制模型根据图2,可以得到TPFC控制模型,如图3(a)所示，图中蓝色部分代表电流内环，黑色部分代表电压外环。mlul网压绝对值电压调节器DCPideS3C2S2.-S4DCN图1TPFC功率电路ui滤波器RMSUi,RMS.S41/UiRMS2PLLS2M图2 TPFC的双闭环控制结构电流调节器PWM调制器iVref给定电压ic2Riuo滤波器Uref3PI调节器uvlo32乘法器4电感环节G(s)Vetrl电压电压偏差环控给定制量Ve电压Hv(S)反馈uoVref电压给定Vref十电压给定图3 中，G(s)为电压调节器，可以采用电压误差放大器和II类补偿器。Gc(s)为电流调节器，可以采用PI调节器和II类补偿器。H,(s)为电流反馈传递环节，1可以等效为比例或小惯性环节。Hm(s)为电压反馈传递环节，可以等效为比例或小惯性环节。GpwM(s)为PWM调节器传递函数，G,(s)为电感环节传递函数，Gpi(s)为等效反向恢复二极管FRD环节传递函数，Gc(s)为负载环节传递函数。G(s)采用图4所示的模拟电路，其传递FRD环节IrerG.(s)电流电流偏差HS电流(a)电压调节器电流内环传动函数VerG(s)Iref电压偏差电压Hu(s)反馈电压调节器VerrIrefG.(s)偏差电压VtHv(s)电压反馈负载环节GcR(s)IDGpWM(s)GDi(s)ULI(S)G(S)GpWM(S)GL(S)Hi(s)Gp(S)GcR(s)给定电流1+G(S)GPWM(s)GLi(s)Hi(S)(b)电流内环传动函数KIL1电流tis+1给定(c)图3 TPFC的控制模型UoUoUoGpi(s)GcR(s)第2 7 卷第0 4期变频器世界2 0 2 4年0 4月函数为：G,()=7R,R.CC+SR(C+C)(I+sR,C)式中,C,%eKK,GDIU,（3)输出电压反馈补偿控制器设计在传统双闭环基础上引入Hv2(s)环节，即可构成输出电压反馈补偿型2 DOF控制。此时，输出电压对电压参考值和负载电流的传递函数分别为：GKKUot,S+1Vref1+(G-Hv.)KLGpIGerKoT,S+1(Gv-Hv2)KG,iGcRUot,s+1ILD11+(G,-Hm)KG,G.K。t,+1显然为使抗干扰性能最优，则应让G(s)最小，即Hl-Gv。然而这种设计会导致 G,=G,k-k-ConCo，系统相当于开环控制，当然也可以设计G(s)成一个闭环传函，但是系统的双闭环结构遭到了破坏。若采用折衷控制策略，即不使|G;()最小，例如令H()=aG,()，此时输出电压为：U,=VugGu+ILDG,=Vrg,Gu+(1-2)LGu显然，?接近1系统的抗干扰性越好，但是此时的系统跟随特性被破坏，例如当元=0.9，G(s)阶跃响应稳态值为8 0 2.3。因此这种方法不可行。因此，将Hv2(s)环节另作他用一一改善系统启动阶段的特性，使系统无超调启动。设计Hv2(s)=cx=+yS1+sa)设计程序改变x和y取值，当Gu(s)的阶跃响应超调最小时返回x和Y的值。经MATLAB编程运行，得x=0,y=-1.9。（4）负载电流前馈控制器及输出电压反馈补偿控制68THEWORLDOFINVERTERS启动过程的超调量增大，因此可再增加一个反馈补偿型控制环节，设计输出电压反馈补偿、负载电流前馈的2DOF控制模型，如图5所示。图中，Hv2(s)为输出电压反馈补偿器，可以改善输出电压启动阶段性能；H,(s)为负载电流前馈补偿器，可以补偿负载电流波动的影响；G(s)负责输出电压跟随参考电压Vrer此时，输出电压对电压参考值和负载电流的传递函数分别为：GK-KGDIGcRUot,s+1t,s+1GDIGcRKU。G1(10)同（2)和(3)设计原则，则H,(s)U。/U r,1b-a(11)Hv2(s)=cx=+yS1+sa3TPFC的仿真验证仿真分析共计包括四种控制情况：（1)输出电压一自电TS+1压由度控制；（2）负载电流前馈型2 DOF控制；（3）输出电压反馈补偿型2 DOF控制；（4）负载电流前馈型与输出电压反馈补偿型2 DOF控制。仿真中令Hv2(s)=-0.00017s+1四种情况的输出电压稳态波形如图6 所示，图中细节为t=-1.418s时放大波形。四种情况的启动后1s内输出电压(12)动态波形如图7 所示，图中细节为t-0.5s时放大波形。图6和图7 中，曲线1代表情况1，曲线2 代表情况2，曲线3代表情况3，曲线4代表情况4。对于这四种情况-1.4s后稳态时输出电压纹波基本相等，输出电压均值静差均为OV左右，表明四种情况下稳态性能接近且满足设计要求。.1+u,b-a在仿真分析中，主要考察输出电压的动态特性，在t=0.2s左右，系统进入稳态，输入电流与输出电压保持不变。在t=0.3s时，接入一个40 0 Q电阻。在t=0.5s时，再接入一个400Q电阻。在t=0.7s时，断开一个40 0 Q电阻。在t=0.9s时，在断开一个40 0 2 电阻。功率变换大致为40 0 W，占额定功(13)1-1)ts+11LD1+(G,-Hm)KGpiGcRKoTS+1。式中,x=0,y=-1.9。(14)3.095第2 7 卷第0 4期变频器世界2 0 2 4年0 4月率的比例为1/5。加载和减载时，曲线2 和曲线4输出电压几乎不受负载电流引起的扰动的影响，而曲线3 输出电压抗扰动能力较差，但略优于曲线1的波动。结果表明，两种2 DOF控制和一种综合2 DOF控制均能有效改善负载变化引起的输出电压波动，其中负载电流前馈综合2 DOF控制和综合2 DOF控制效果最佳，且综合2 DOF控制启动过程中的动态特性良好。输出电压反馈补偿2 DOF控制也能够获得一定的动态控制效果。4044024003983963941.05图6 四种情况稳态时输出电压纹波波形Time(s)图7 四种情况动态时输出电压纹波波形4结论为改善图腾柱PFC（T PFC）的输出负载抗扰能力，在原有TPFC电压外环、电流内环的双闭环控制结构基础上，分别增加了负载电流前馈环节或/及输出电压反馈补偿型2DOF控制环节，进行了理论分析和仿真分析，结果表明，只要增加负载电流前馈环节构成2 DOF控制器，在参数合理选择情况下，就能提升输出电压的抗干扰性能，并保证系统具有良好的静态特性。同时采用负载电流前馈环节或输出电压反馈补偿型2 DOF控制时，能够在获得满意的稳态特性和抗干扰特性基础上，能够进一步改善输出电压启动特性。参考文献：1 Lu C Y,Hsu Y W,Chen H C.Design of current sensorlesscontrol for totem-pole boost PFC converterC/2019 10thInternational Conference on Power Electronics and ECCE Asia(ICPE2019-ECCEAsia).IEEE,2019:986-991.2 Sun J,Huang X,Strain N N,et al.Inductor design and ZVScontrol for a GaN-based high efficiency CRM totem-polePFC converterC/2019 IEEE Applied Power ElectronicsConference and Exposition(APEC).IEEE,2019:727-733.3】徐德鸿。电力电子系统建模及控制 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voltagefluctuations through a source active current feedforwardin the active power filterJ.IET Power Electronics,2021,14(3):481-491.15黄本润，夏立，吴正国，周卫平线电压补偿型动态电压恢复器的双前馈加反馈控制策略 J.电力自动化设备，2011,31(10):61-64+69.项目支持：本论文得到了中国科技部国家重点研发计划支持，编号：2020YFB1711000。WWW.CA168.COM69