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,分為電流斷續模式(DCM)和電流連續模式(CCM),以及介于兩者之間的臨界DCM(BCM)。有的電路還根據負載功率的大小,使得變換器在DCM和CCM之間轉換,稱為混連模式(Mixed Conduclion Mode一一MCM)。而CCM根據是否直接選取瞬態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。直接電流控制檢測整流器的輸入電流作為反饋和被控量,具有系統動態響應快、限流容易、電流控制精度高等優點。本文總結了PFC技術的直接電流控制策略,對比分析了幾種典型控制策略的優缺點,指出了這些控制技術的發展趨勢。
??? 直接電流控制有峰值電流控制、滯環電流控制、平均電流控制,預測電流控制、無差拍控制、單周控制、狀態反饋控制、滑模變結構控制、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,開關管在恒定的時鐘周期導通,當輸入電流上升到基準電流時,開關管關斷。采樣電流來自開關電流或電感電流。峰值電流控制的優點是實現容易,但其缺點較多：

??? 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)電流峰值對噪聲敏感;
??? 3)占空比>0.5時系統產生次諧波振蕩;
??? 4)需要在比較器輸入端加斜坡補償器。
??? 故在PFC中,這種控制方法趨于被淘汰。
1.2 滯環電流控制
??? 滯環電流控制的輸入電流波形如圖2所示,開關導通時電感電流上升,上升到上限閾值時,滯環比較器輸出低電平,開關管關斷,電感電流下降;下降到下限閾值時,滯環比較器輸出高電平,開關管導通,電感電流上升,如此周而復始地工作,其中取樣電流來自電感電流。

??? 滯環電流控制是一種簡單的Bang-hang控制,它將電流控制與PWM調制合為一體。結構簡單,實現容易,且具有很強的魯棒性和快速動態響應能力。其缺點是開關頻率不固定,濾波器設計困難。
??? 目前,關于滯環電流控制改進方案的研究還很活躍,目的在于實現恒頻控制。將其他控制方法與滯環電流控制相結合是SPWM電流變換器電流控制策略的發展方向之一。
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與鋸齒波信號相加。當兩信號之和超過基準電流時,開關管關斷,當其和小于基準電流時,開關管導通。取樣電流來自實際輸入電流而不是開關電流。由于電流環有較高的增益帶寬、跟蹤誤差小、瞬態特性較好。THD(<5％)和EMI小、對噪聲不敏感、開關頻率固定、適用于大功率應用場合,是目前PFC中應用最多的一種控制方式。其缺點是參考電流與實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 預測電流控制
??? 預測電流控制就是通過對輸入、輸出電壓和輸入電流的采樣,根據實際電流和參考電流的誤差,選擇優化的電壓矢量(脈沖寬度)作用于下一個周期,使實際電流在一個周期內跟蹤卜參考電流,實現穩態無誤差。其優點是開關頻率固定,動態性能良好,電流諧波小,器件開關應力小,數字化實現簡單。其缺點是要求較高的采樣頻率和開關頻率,在低的采樣頻率下,會產生周期性的電流誤差。
1．5 單周控制(積分復位控制)
??? 單周控制是一種非線性控制,同時具有調制和控制的雙重性。其原理如圖4所示。單周控制通過復位開關、積分器、觸發電路、比較器達到跟蹤指令信號的目的。

??? 這種方法的基本思想是通過控制開關占空比,在每個周期內強迫開關變量的平均值與控制參考量相等或成一定比例,從而在一個周期內自動消除穩態、瞬態誤差,前一周期的誤差不會帶到下一周期。單周控制能優化系統響應、減小畸變和抑制電源干擾,具有反應快、開關頻率恒定、魯棒性強、易于實現、抗干擾、控制電路簡單等優點,是一種很有前途的控制方法。其缺點是需要快速復位的積分電路,單周控制在DC／DC變換器中已經得到充分的研究．作為一種調制方式,該技術在PFC方面也有了廣泛的應用。
1．6 無差拍控制
??? 無差拍控制的基本思想是將輸出參數等間隔地劃分為若干個取樣周期。根據電路在每一取樣周期的起始值,預測在關于取樣周期對稱的方波脈沖作用下某電路變量在取樣周期末尾時的值。適當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波形重合。不斷調整每一取樣周期內方波脈沖的極性與寬度,就能獲得波形失真小的輸出。
??? 該方法是一種全數字化的控制技術。它利用前一時刻的指令電流值和實際補償電流值,根據空間矢量理論計算出整流器下一時刻應滿足的開關模式。其優點在于數學推導嚴密、跟蹤無過沖、動態性能好,易于計算機執行等。缺點是計算量大,且對系統參數依賴性較大。但是,隨著數字信號處理單片機(DSP)應用的不斷普及,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,開關頻率恒定,調節性能良好,代表了目前國際上PFC技術的先進水平。
1.7 滑模變結構控制
??? 上世紀50年代在前蘇聯發展起來的滑模變結構控制,用于控制電力電子變換器有其天然的合理性。因為構成多種變換器的電子開關所產生的不連續性,使各類電力電子變換器正好被描述為變結構系統,而在變結構系統中滑模變結構控制的滑動模態具有不變性,即對系統的變化和外部干擾不敏感,具有很強的魯棒性。這樣,滑模變結構控制就能很容易地應用于整流器、逆變器及
由開關變換器驅動等相關領域的應用研究,并獲得良好的控制效果。
??? 變流器的時變參數問題是人們一直努力解決的問題。考慮到開關變換器的開關切換動作與變結構系統的運動點沿切換面高頻切換有動作上的對應關系,因而可以考慮用滑模變結構這種方法來控制變流器。
??? 在整流器的功率因數校正系統中,輸入電流的穩態特性和輸出電壓暫態特性之間存在著矛盾的關系,應用滑模變結構控制方法．可以在輸入電流的穩態特性和輸出電壓暫態特性之間進行協調,在使輸入電流滿足有關標準的前題下,盡可能地提高輸出電壓動態響應。
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。因而開關頻率固定;另外,以往的控制方法都是在理想的三相平衡狀態下得出的數學模型。用占空比控制方法比傳統的控制方法在分析三相不平衡系統中具有更大的優勢,比如在建模、電壓調節器參數調整等方面。
l.9 基于Lvapunov的非線性大信號方法控制
??? 傳統控制方法的數學建模一般是基于系統的小信號線性化處理。這種方法的共同缺點是對系統的大信號擾動不能保證其穩定性。基于這種考慮,文獻[16]提出了用大信號方法直接分析這種非線性系統,仿真和實驗結果表明,系統對大信號擾動具有很強的魯棒性。
??? 與現代控制理論相關的控制方法如狀態反饋控制(極點配置),二次型最優控制,非線性狀態反饋,模糊控制,神經網絡控制等,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。基于大功率電子設備的要求,目前多電平變換器和各種簡單拓撲的串聯、并聯等拓撲相繼提出,對于這些電路的控制,除采用現有的控制策略外,還嘗試發展更有針對性的控制技術。

2 總結與展望
??? CCM控制中,直接電流控制適用于對系統性能指標和快速性要求較高的大功率場合,應是發展的主流。中大功率的電力電子設備在電網中占有很大比重,因此,三相PFC應是PFC研究的重心。隨著三相PFC整機成本的提高和開關頻率的降低,依托高速的數字處理器,數字控制成為發展的主流。由于各種控制策略都有優缺點,將各種控制策略合理搭配,取長補短,可以收到理想的控制效果,這也是控制技術發展的一個方向。