《電子技術(shù)應(yīng)用》
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集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器
2018年電子技術(shù)應(yīng)用第12期
曾燊杰，李紅梅，張恒果，崔 超
合肥工業(yè)大學(xué) 電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院，安徽 合肥230009
摘要： 電動(dòng)汽車車載充電器前級(jí)PFC AC/DC變換器多采用大容量電解電容抑制直流母線輸出電壓紋波的方式，電解電容壽命短、易受溫度影響等自身因素會(huì)降低充電機(jī)整體的使用周期和可靠性，甚至產(chǎn)生炸機(jī)故障。為此，提出采用PFC AC/DC變換器輸出側(cè)并聯(lián)功率解耦電路的方式，大幅減小直流母線處并聯(lián)的濾波電容容量，為使用性能優(yōu)良的薄膜電容予以替代電解電容提供可能，旨在使PFC AC/DC變換器在減小直流母線輸出電壓紋波的同時(shí)實(shí)現(xiàn)充電機(jī)的安全可靠運(yùn)行。為此，基于功率解耦電路工作狀態(tài)的詳細(xì)分析，建立功率解耦電路的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)改進(jìn)型比例諧振（Proportional Resonant，PR）控制器實(shí)施控制；此外，為了提升系統(tǒng)的控制性能及魯棒性，對(duì)于PFC AC/DC變換器實(shí)施無模型非線性功率控制。在上述研究工作的基礎(chǔ)上，制作700 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，基于dSPACE 1007平臺(tái)搭建實(shí)驗(yàn)樣機(jī)測試系統(tǒng)，驗(yàn)證集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器一體化解決方案的可行性與有效性。
中圖分類號(hào)： TM461
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.180962
中文引用格式： 曾燊杰，李紅梅，張恒果，等. 集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2018，44(12)：143-146.
英文引用格式： Zeng Shenjie，Li Hongmei，Zhang Hengguo，et al. PFC AC/DC converter integrated with power decoupling circuit[J]. Application of Electronic Technique，2018，44(12)：143-146.
PFC AC/DC converter integrated with power decoupling circuit
Zeng Shenjie，Li Hongmei，Zhang Hengguo，Cui Chao
School of Electrical Engineering and Automation，Hefei University of Technology，Hefei 230009，China
Abstract： The bulky electrolytic capacitor is conventionally used to curb the output voltage ripple of output DC-link in the front-end PFC AC/DC converter, which is applied for the on-board charger of the electrical vehicle. Due to the drawbacks of electrolytic capacitor, such as the short lifetime, susceptibility to temperature and other reasons, the reliability and usage cycle of on-board charger are reduced, even leading to the system breakdown. In order to decline the output voltage ripple in the output DC-link, the PFC AC/DC converter paralleled with power decoupling circuit at the output side is proposed, ensuring safe and reliable operation in the on-board charger. It contributes to diminish the volume of output filtering capacitor sharply and utilize the excellent film capacitor instead of the electrolytic capacitor. In this paper, the mathematical model of power decoupling circuit is established based on the detailed analysis of the circuit operation. Besides, the improved PR(Proportional Resonant) controller is designed to dominate the power decoupling circuit. In order to improve the control performance and robustness, the model-free nonlinear power control strategy is implemented to the PFC AC/DC converter. Based on the aforementioned researches, a 700 W experiment prototype is developed. The feasibility and efficiency of the proposed method are validated by the DSPACE 1007 test platform.
Key words : PFC AC/DC converter；double-line frequency pulsating power；power decoupling；model-free nonlinear power control

0 引言

    能源問題已成為當(dāng)今世界發(fā)展的主要問題之一，隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，電動(dòng)汽車由于經(jīng)濟(jì)環(huán)保性，其相關(guān)技術(shù)已成為研究熱點(diǎn)[1]。車載充電機(jī)前級(jí)由PFC AC/DC變換器組成，在單位功率因數(shù)下，其直流側(cè)輸出功率包含直流分量與二倍工頻脈動(dòng)分量，脈動(dòng)功率直接影響變換器性能以及系統(tǒng)穩(wěn)定性[2]；另外，脈動(dòng)功率易導(dǎo)致PFC AC/DC變換器直流側(cè)輸出電壓、輸出電流產(chǎn)生持續(xù)振蕩，而電流持續(xù)振蕩又會(huì)造成電池內(nèi)部過熱等問題，降低電池使用壽命[3]，直接影響系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。為了避免PFC AC/DC變換器直流側(cè)輸出電壓、輸出電流持續(xù)振蕩現(xiàn)象的出現(xiàn)，通常在變換器輸出直流母線側(cè)并聯(lián)大容量電解電容組成濾波電路吸收二倍工頻脈動(dòng)功率，使負(fù)載獲得所需的直流功率。但是，相比于充電機(jī)中的其他電子器件，電解電容使用壽命較短，特別是在高溫等惡劣工況下，其使用壽命會(huì)進(jìn)一步降低，從而導(dǎo)致PFC AC/DC變換器失效。

    為了增加變換器的可靠性，文獻(xiàn)[4]提出采用薄膜電容代替電解電容的解決方案。但在相同體積下，薄膜電容的容量遠(yuǎn)小于電解電容，因此會(huì)造成變換器輸出電壓二次紋波增大。為了實(shí)現(xiàn)在采用薄膜電容的同時(shí)降低直流側(cè)二次電壓紋波，文獻(xiàn)[5]提出外加功率解耦電路的方法。

    此外，單相PFC AC/DC變換器本身的非線性特性以及在實(shí)際應(yīng)用中系統(tǒng)參數(shù)的內(nèi)外部擾動(dòng)造成系統(tǒng)無法實(shí)時(shí)建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型，文獻(xiàn)[6]提出基于無模型非線性功率控制方法，擺脫了控制器對(duì)變換器參數(shù)的依賴，在克服系統(tǒng)內(nèi)外部干擾和測量噪聲的同時(shí)提高了系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)特性與魯棒性。

    為此，本文首先給出集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器主拓?fù)洳⒎治銎涔ぷ髟?，完成其關(guān)鍵元器件參數(shù)設(shè)計(jì)與選型，再針對(duì)PFC AC/DC變換器，設(shè)計(jì)無模型功率控制器，同時(shí)，針對(duì)功率解耦電路設(shè)計(jì)改進(jìn)的PR控制器，旨在給出一體化的系統(tǒng)解決方案，抑制其輸出電壓的二次紋波，兼顧系統(tǒng)控制性能、魯棒性能的有效提升及系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行[7-8]。在系統(tǒng)解決方案分析研究與仿真驗(yàn)證的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)700 W功率等級(jí)的集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，基于dSPACE 1007搭建樣機(jī)測試系統(tǒng)，驗(yàn)證所提出的系統(tǒng)解決方案的可行性及有效性。

1 集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器拓?fù)浼肮ぷ髟矸治?/strong>

    集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器拓?fù)淙鐖D1所示，由以BOOST電路為主體的PFC AC/DC變換器和以雙向全橋結(jié)構(gòu)構(gòu)成的功率解耦電路兩部分組成[9]。

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    鑒于PFC AC/DC變換器電感Ls對(duì)于二倍工頻脈動(dòng)功率影響較小，在忽略功率器件開關(guān)損耗的條件下，假設(shè)電路輸入功率等于輸出功率，輸入電流功率因數(shù)為1，則輸出功率中二倍頻脈動(dòng)功率分量pripple(t)為：

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式中：Vin為輸入電壓幅值，Iin為輸入電流幅值，ω為輸入電壓角頻率，θ為任意相角。

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    理想情況下，直流側(cè)輸出電壓為恒定直流量，但在實(shí)際工況下，解耦電路并不能完全補(bǔ)償脈動(dòng)功率，造成加入解耦電路后的變換器輸出電壓中除了含有恒定的直流量外仍然包括一定的高次諧波分量，此時(shí)輸出濾波電容Co的主要作用是濾除高頻紋波。

2 集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器的控制

    對(duì)集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器實(shí)施獨(dú)立控制，分為PFC AC/DC的控制和功率解耦電路的控制兩部分，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

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    PFC AC/DC變換器采用無模型非線性功率控制[6]，兼顧提高系統(tǒng)的動(dòng)靜態(tài)性能及魯棒性。

    對(duì)于功率解耦電路，設(shè)計(jì)PR控制器，控制功率解耦電路中電容Cd端電壓實(shí)現(xiàn)對(duì)電容電壓參考值的準(zhǔn)確跟蹤，達(dá)到脈動(dòng)功率解耦目的。

    為設(shè)計(jì)匹配的PR控制器，需基于全橋功率解耦電路的工作狀態(tài)分析，建立功率解耦電路的電路模型。全橋功率解耦電路可分為兩種工作狀態(tài)，即電容Cd充電狀態(tài)與放電狀態(tài)，由于在兩種狀態(tài)下電路的工作過程對(duì)稱，僅以充電狀態(tài)為例予以分析，在一個(gè)周期Ts內(nèi)，令Q1的占空比為d，在[0，dTs]期間，開關(guān)Q1、Q4開通，輸出電壓vo向電容Cd充電，電感Ld儲(chǔ)能；在[dTs，Ts]期間，開關(guān)Q2、Q3開通，電感Ld通過Q2、Q3的反并聯(lián)二極管向電容Cd充電。

    [0，dTs]期間，全橋功率解耦電路動(dòng)態(tài)方程為：

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    理想情況下，功率解耦電路可以完全消除直流側(cè)的電壓紋波，則輸出電壓可視為恒定直流量Vo，上式又可寫為：

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    在式（8）中代入設(shè)計(jì)的電路參數(shù)，可得其開環(huán)傳遞函數(shù)的幅相曲線如圖3所示，分析可知在LC諧振頻率附近其相位特性接近-180°，直接采用PR控制，系統(tǒng)相位裕度不足，將導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定運(yùn)行，故對(duì)傳統(tǒng)PR控制器實(shí)施改進(jìn)，通過在控制器中引入適當(dāng)?shù)牧銟O點(diǎn)以改善系統(tǒng)的相位裕度，旨在保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實(shí)現(xiàn)電壓環(huán)的零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤，改進(jìn)后的PR控制器傳遞函數(shù)表達(dá)式為：

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3 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

    基于dSPACE 1007平臺(tái)搭建了一臺(tái)700 W功率等級(jí)的集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器實(shí)驗(yàn)測試系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如表1所示。

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    圖4所示為功率700 W時(shí)變換器輸出電壓波形，輸出電壓紋波峰峰值約為10 V，僅為輸出電壓的4.2%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了集成功率解耦電路能夠按照設(shè)計(jì)預(yù)期，吸收直流側(cè)大部分脈動(dòng)功率。

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    圖5所示為在700 W負(fù)載條件下，集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器經(jīng)整流橋后的輸入電壓、輸入電流波形，輸入電流能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)輸入電壓的很好跟蹤，達(dá)到了功率因數(shù)校正的目的。

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    在0.05 s時(shí)負(fù)載功率由400W突變?yōu)?00 W，圖6為變換器輸入電壓和輸入電流動(dòng)態(tài)，圖7為輸出電壓動(dòng)態(tài)，輸入電流在一個(gè)周期內(nèi)即達(dá)到穩(wěn)態(tài)，輸出電壓在0.02 s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)且無超調(diào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果揭示出在負(fù)載突變情況下系統(tǒng)仍然擁有快速動(dòng)態(tài)性能與強(qiáng)魯棒性。

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    圖8所示為在0.05 s負(fù)載功率由400 W突變?yōu)?00 W時(shí)，解耦電容電壓與參考電壓動(dòng)態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了當(dāng)負(fù)載功率突變時(shí)，解耦電容電壓能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)其參考電壓的準(zhǔn)確跟蹤，表明改進(jìn)的PR控制器能夠使功率解耦電路擁有良好動(dòng)靜態(tài)特性。

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4 結(jié)論

    為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)汽車車載充電器前級(jí)PFC AC/DC變換器系統(tǒng)控制性能、魯棒性提升及安全可靠運(yùn)行的研究目標(biāo)，本文提出了集成功率解耦電路PFC AC/DC變換器的一體化系統(tǒng)解決方案，該方案由集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器拓?fù)溥x擇、關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)，基于PFC AC/DC變換器超局部模型的無模型非線性功率控制，基于功率解耦電路數(shù)學(xué)模型的改進(jìn)PR 控制核心部分組成。設(shè)計(jì)并制作了一臺(tái)700 W功率等級(jí)的集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，基于dSPACE 1007搭建了樣機(jī)測試系統(tǒng)，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了所提出的集成功率解耦電路PFC AC/DC變換器系統(tǒng)解決方案能夠有效抑制其輸出電壓二次紋波，提升系統(tǒng)控制性能及魯棒性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的安全可靠運(yùn)行。

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作者信息:

曾燊杰，李紅梅，張恒果，崔  超

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

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