0 引言

    單相PFC AC/DC變換器具有體積小、效率高等優(yōu)點(diǎn)，在電動汽車車載充電器及其他工業(yè)電源系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用^[1]。但是系統(tǒng)輸出端所固有的二次紋波電壓會引起電池壽命下降及電池過熱等一系列問題。傳統(tǒng)的做法是在直流輸出端加入由電解電容組成的濾波電路^[2]，雖然電解電容具有容量大且價格低的優(yōu)點(diǎn)，但是電解電容的等效串聯(lián)電阻較大且可靠性較差，相比于系統(tǒng)中的其他器件，其平均使用壽命較短，為此，電解電容失效或者故障是車載充電器主要的頻發(fā)故障之一。

    相比電解電容，薄膜電容在多方面都優(yōu)于電解電容，并且具有更高的使用壽命。采用薄膜電容取代電解電容雖可顯著提升車載充電器的使用壽命和系統(tǒng)的安全性，但是在同樣的電容體積約束條件下，較之電解電容，薄膜電容的二倍頻脈動功率吸收能力有限。為此，文獻(xiàn)[3]、[4]提出了解決這一問題的兩種方法，本文采用主動功率解耦的方法來吸收二倍頻脈動功率，其基本原理是在系統(tǒng)中加入功率解耦電路，將二倍頻脈動功率存儲在功率解耦電路的儲能器件中，降低輸出電壓紋波，使負(fù)載獲得恒定的直流功率。

    此外， PFC AC/DC變換器本身的非線性以及實(shí)際存在的系統(tǒng)內(nèi)、外參數(shù)擾動，使得系統(tǒng)存在動態(tài)響應(yīng)慢及擾動抑制能力差等問題。無模型控制方法^[5]具有控制結(jié)構(gòu)簡單且不依賴于系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，對于系統(tǒng)干擾、測量噪聲以及未建模動態(tài)具有強(qiáng)魯棒性的技術(shù)優(yōu)勢。為此，為了在有效吸收PFC AC/DC變換器二倍頻脈動功率的基礎(chǔ)上，兼顧提升系統(tǒng)的動態(tài)性能及魯棒性，針對2 kW功率等級的車載充電器，論文重點(diǎn)研究集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器設(shè)計(jì)及其控制。首先分析功率解耦電路工作原理并確定其關(guān)鍵元器件參數(shù)；其次，分別設(shè)計(jì)PFC AC/DC變換器的無模型非線性功率控制器、功率解耦電路控制器。最后，通過系統(tǒng)建模與仿真證實(shí)變換器具有良好的脈動功率吸收能力并且系統(tǒng)動靜態(tài)性能及魯棒性較好。

1 PFC AC/DC變換器輸出功率解耦電路原理與關(guān)鍵參數(shù)計(jì)算

    基于Boost電路的PFC AC/DC變換器輸出功率P_o存在二倍頻脈動功率，導(dǎo)致其輸出側(cè)需應(yīng)用大容量電解電容以減小其產(chǎn)生的二次電壓紋波，其輸出功率P_o可分解為直流功率P_DC和交流功率p_ac兩部分。論文建議額外增設(shè)功率解耦電路，并控制其吸收的功率等于p_ac，使輸出負(fù)載上獲得恒定的直流功率P_DC，進(jìn)而消除PFC AC/DC變換器輸出電壓中的二次紋波。

    集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器主電路拓?fù)淙鐖D1所示，與傳統(tǒng)的PFC AC/DC變換器主電路拓?fù)湎啾?，其直流輸出部分增設(shè)了吸收二倍頻脈動功率的功率解耦電路，此功率解耦電路由全控整流橋、電感L_d和電容C_d組成，其中C_d用于吸收二倍頻脈動功率，L_d取值較小，其主要作用是消除全控整流橋工作時產(chǎn)生的高頻開關(guān)電流紋波。此時的PFC AC/DC變換器主電路濾波電容C₁僅用于吸收主開關(guān)管S的高頻開關(guān)諧波，其電容容值可取較小值，為此，可選擇薄膜電容，以提高車載充電器的安全可靠性及其使用壽命。

    集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器的瞬時輸入功率表達(dá)式為：

    為了簡化推導(dǎo)，假定變換器變換效率為100%，基于上述分析，若控制流過電容C_d的電流準(zhǔn)確跟蹤如式(2)所示的電流參考值i_cref，則功率解耦電路可完全吸收變換器輸出二倍頻脈動率。

    電感元件L_d的作用是在消除高頻開關(guān)紋波的同時，將電流紋波限制在一定的允許范圍內(nèi)。由于開關(guān)頻率較高，在一個開關(guān)周期內(nèi)可視電容C_d兩端的電壓保持不變，由電感伏秒平衡原理可知當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定工作時，在一個開關(guān)周期內(nèi)電感上的電流總變化量為零，若將電感電流紋波系數(shù)取為30%，經(jīng)計(jì)算確定電感L_d取300 μF。

2 集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器控制策略

2.1 PFC AC/DC變換器的無模型非線性功率控制

    由于功率解耦電路、PFC AC/DC變換器所實(shí)現(xiàn)功能是互相獨(dú)立的，為此，可獨(dú)立設(shè)計(jì)各自的控制器實(shí)現(xiàn)集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器控制。對于PFC AC/DC變換器，針對系統(tǒng)本身的非線性以及實(shí)際存在的系統(tǒng)內(nèi)、外參數(shù)擾動，在文獻(xiàn)[5]所提出的無模型控制及文獻(xiàn)[6]所提出的非線性功率控制的啟發(fā)下，擬定的控制PFC AC/DC變換器的設(shè)計(jì)思路是控制PFC AC/DC變換器的輸入功率跟蹤其輸入功率參考值，實(shí)現(xiàn)AC/DC變換和功率因數(shù)校正，即針對PFC AC/DC變換器設(shè)計(jì)其無模型非線性功率控制器。

    首先基于PFC AC/DC變換器的輸入和輸出，建立PFC AC/DC變換器超局部模型，其表達(dá)式為

    無模型非線性功率控制的PFC AC/DC變換器如圖2所示，PFC AC/DC變換器超局部模型的準(zhǔn)確建立依賴于F的準(zhǔn)確估計(jì)，本文采用文獻(xiàn)[6]所給出的方法估計(jì)參數(shù)F。

2.2 功率解耦電路的準(zhǔn)PR控制 

    鑒于PR控制在諧振頻率處的增益為無窮大，因此理論上PR控制對于正弦交流信號可以實(shí)現(xiàn)無靜差跟蹤，由于功率解耦電路的電流參考信號是正弦交流量，并且考慮實(shí)際應(yīng)用中的噪聲以及系統(tǒng)不穩(wěn)定等問題，實(shí)施準(zhǔn)PR控制。其控制思路是通過控制流過電容C_d的電流i_c跟蹤電流參考i_cref以實(shí)現(xiàn)二倍頻脈動功率的有效吸收。

    準(zhǔn)PR控制器的傳遞函數(shù)為：

    首先根據(jù)電網(wǎng)允許頻率波動，確定準(zhǔn)PR控制器的截止頻率ω_c，其比例與積分系數(shù)可通過控制變量法進(jìn)行調(diào)節(jié)，直到系統(tǒng)的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能達(dá)到要求為止^[7]。

3 系統(tǒng)建模與仿真研究

    基于MATLAB/Simulink軟件建立了系統(tǒng)的仿真模型，并與傳統(tǒng)PI控制的PFC AC/DC變換器性能進(jìn)行分析比較，部分設(shè)計(jì)參數(shù)和主要元器件參數(shù)如表1所示。

    如圖3所示，較之PI控制，建議的控制策略具有無超調(diào)、動態(tài)響應(yīng)快及魯棒性強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢。

    圖4所示為在2 kW工況下，無模型非線性功率控制的PFC AC/DC變換器在不同條件下輸出電壓動態(tài)。圖4（a）所示是在輸出濾波電容C₁為100 μF時的輸出電壓動態(tài)，電壓紋波達(dá)到了90 V；圖4（b）為論文建議的集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器系統(tǒng)在輸出電容為100 μF條件下的輸出電壓動態(tài)，其電壓紋波僅為2 V。系統(tǒng)仿真研究結(jié)果表明：該方法可有效吸收PFC AC/DC變換器所存在的二倍頻脈動功率，且輸出濾波電容C₁的容量降低9~10倍，為薄膜電容代替電解電容提供了可能；此外，系統(tǒng)兼具良好的魯棒性。

4 結(jié)論

    為了在充分吸收車載充電器PFC AC/DC變換器二倍頻脈動功率的基礎(chǔ)上，兼顧提升系統(tǒng)的動靜態(tài)性能，針對2 kW功率等級的車載充電器，完成了集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器主電路的設(shè)計(jì)，給出了PFC AC/DC變換器的無模型非線性功率控制器設(shè)計(jì)及功率解耦電路的準(zhǔn)PR控制器設(shè)計(jì)，給出了集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器的一體化解決方案。最后，通過系統(tǒng)建模與仿真研究證實(shí)了所建議的集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器不僅具有良好的二倍頻脈動功率吸收能力，而且兼具好的動靜態(tài)性能及魯棒性。此外，建議的PFC AC/DC變換器的一體化解決方案為薄膜電容代替電解電容提升提高車載充電器的安全可靠性及其使用壽命也提供了可能。鑒于上述，論文的研究對于車載充電器前級PFC AC/DC變換器的設(shè)計(jì)及控制均具有參考借鑒價值，可望實(shí)現(xiàn)直接的推廣應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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作者信息：

崔  超，李紅梅，張恒果，曹靈靈

（合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動化工程學(xué)院，安徽 合肥230009）