单周期控制PFC电路研究及芯片应用介绍
开关变换器的单周期控制
开关变换器的单周期控制算法 Keyue M. Smedley, Member, IEEE, and Slobodan Cuk, Senior Member, IEEE 摘要：一种新型大信号非线性控制技术被提出来控制开关的占空比以致于在每个周期中开关控制器的开关参数的平均值能准确地等于或者正比于在稳态或暂态的控制参数。单周期控制在一个开关周期内可以有效抑制电源干扰。在一个开关周期内开关变量的平均值能够紧随动态参数的变化，并且在一个开关周期内控制其可以校正开关错误。控制参数与开关变量的均值之间不存在稳态误差也不存在动态误差。用一个在连续周期中运行的buck变换器中进行的实验演示了其控制算法的鲁棒性并且证实了理论猜想。这种新型的控制算法适用于脉宽调制，基于共振的或者软开关的开关控制器的所有类型在连续或者断续模式下电压或者电流的控制。而且，它可以用于物理变量的控制，也可以用于某些以开关变量形式或者可以转换为开关变量形式的抽象信号的控制。 一、介绍 开关变换器用于非线性脉冲动态系统的控制。此类系统在合理的非线性脉冲控制下可以具有更强的鲁棒性和更快的动态响应，并且在线性反馈控制下比同样的系统具有更强的电源抗干扰能力。目前，在电力电子领域已经有很多工作致力于寻找大信号非线性方法来控制开关变换器。 在传统的反馈控制中，占空比线性化为了减小误差。当电源受到干扰时，比如说有一个大的阶跃，因为误差信号必须先变化，占空比控制无法察
觉到这瞬时的变化。所以在输出电压中，可以观察到一个很明显的瞬态超调。而这瞬态过程的持续时长取决于回路带宽。在重新达到稳态前需要经过大量的开关周期。 在电流控制模式下[3]-[5]，一个连续频率的时钟信号在每个开关周期的一开始将开关打开。当到达控制参考信号时，开关电流开关增长，比较器改变其状态并关断晶体管。通常会添加一个人为的斜坡信号来消除当占空比大于等于0.5时产生的震荡。所以，如果这个人为加入的斜坡信号十分精准的等价于电感电流的下降斜率sf，那么系统在一个周期内将具有抗电源干扰的能力。在buck变换器的连续控制参数下可能是可行的。总之，在一个开关变换器中电感电流的下降斜率是一些动态参数的函数。所以，要在一个瞬态过程中让人工加入的斜坡信号跟上电感电流的下降斜率是不可能的。由于这不协调，电流控制模式在一个开关周期内不可能具有抗电源干扰能力。在任何情况下，如果控制参数是可变的，无论人工信号如何选择或者选择哪种变换器，电流控制模式在一个周期内都无法跟随控制参数或具有抗电源干扰的能力。 在闭环buck变换器中，在输出电压错误发生前，电源电压直接控制占空比。如果反馈参数设计精准并且开关时理想的话使输出信号与电源干扰相隔离将成为可能。而在现实中，开关具有开/关瞬态变化和导通压降。所以，这种方法也不能十分准确的抑制电源干扰。 在参考文献[6]中介绍的SADTIC变换器具有一个电容整流器将未整流的电源电压转变为三角波，“平衡交流波形”。这种平衡电流波经整流可产生一系列单极性三角波。输出电压由三角波的重复率控制。控制电流包
单周期控制下交流调压源的研究
电气传动2018年第48卷第2期 单周期控制下交流调压源的研究 李文华，孟喆，胡琦，张林林 （河北工业大学电气工程学院，天津300130） 摘要:为了提高交流调压源的抗电源扰动能力和动态响应速度，设计了基于单周期控制系统的交流调压源，简化了调压源的控制电路，分析了单极性和双极性单周期控制下交流调压源的性能，提出双比较器结构解决了双极性控制下积分复位的问题。通过仿真和实验证明了单极性控制方式下的调压源抗扰动能力强且工作更为稳定，验证了单周期控制应用于交流调压源的可行性。 关键词:单周期控制;调压源;抗扰动;单极性中图分类号:TM464 文献标识码:A DOI :10.19457/j.1001-2095.20180212 Abstract:In order to improve the anti -disturbance ability and dynamic response speed of AC voltage regulator ， the AC voltage regulator based on single -cycle control system was designed ，and the control circuit of voltage regulator was simplified.The performance of AC voltage regulator under the unipolar and bipolar single -cycle control was analyzed ，the dual -comparator structure was proposed to solve the problem of integral reset under bipolar control.It is proved by simulation and experiment that the voltage source of the single -polarity control mode is strong and the anti -disturbance is strong.For the sake of stability ，the feasibility of single -cycle control applied to AC voltage regulator is verified. Key words:single -cycle control ；voltage regulator ；anti -disturbance ；unipolar 基金项目：国家自然科学基金(51377044) 作者简介：李文华(1973-)，男，教授，Email :503888373@https://www.sodocs.net/doc/9f75995.html, Research on AC Voltage Regulator Under Single Cycle Control LI Wenhua ，MENG Zhe ，HU Qi ，ZHANG Linlin (School of Electrical Engineering ，Hebei University of Technoloy ，Tianjin 300130，China ) 交流调压源是电源产品市场中的主流产品，其应用范围十分广阔。主要应用于电子、动力、照明、电热等领域。随着各行各业对电源质量的苛刻要求，交流调压源被广泛应用，由此也见证了交流调压源在国民经济生产生活中占有举足轻重的地位。本设计主电路采用整流逆变电路，电路结构简单。整流电路将电网中的220V 交流电经过整流滤波提供给逆变电路，逆变电路是本设计的核心部分[1-4]。 单周期控制分为单极性控制和双极性控制，是由美国学者于1991年提出的一种新型大信号、非线性控制方法，克服了现有PWM 控制法存在的不足[5]，可以有效地克服传统电压反馈控制中的缺陷，同时也不必考虑电流模式控制中的人为补偿。目前，单周期控制主要应用于DC/DC 变 换、功率因数校正电路中，在交流调压源中的应用很少，本文将单周期控制算法应用于交流调压源中，并分别对两种极性下调压源的性能进行了分析，通过仿真和实验验证了单周期控制应用于调压源的可行性。 1主电路构成及工作原理 本文提出的单周期控制调压源主电路拓扑如图1所示。主电路包括整流升压电路和全桥逆变电路，输入的交流电网电压经整流部分后变成脉动的直流电压，升压斩波电路通过控制开关器件IGBT 的开通频率可以实现电路的升压;全桥逆变电路通过单周期控制器实现调压目的。单周期控制下的逆变电路抗电源扰动能力强，响应速度快[6]，但不能实现升压调节，在整流电路和逆 ELECTRIC DRIVE 2018Vol.48No.2 61 万方数据
单周期控制PFC
1.单周期控制原理（以BUCK为例） https://www.sodocs.net/doc/9f75995.html,/link?url=Zbv-UCh7K0aOFr7QMsYNc9o5JgcESFzvHsrsBX_iwveEuST3x LQBJKcWkjoTLh6pGyk1LC-X4RTpYu5MOsNBt8WJ-LJV8EswukQOP_nxqve
2.PFC 含义：所以现代的PFC技术完全不同于过去的功率因数补偿技术，它是针对非正弦电流波形畸变而采取的，迫使交流线路电流追踪电压波形瞬时变化轨迹，并使电流和电压保持同相位，使系统呈纯电阻性技术（线路电流波形校正技术），这就是PFC（功率因数校正）。 所以现代的PFC技术完成了电流波形的校正也解决了电压、电流的同相问题。 控制方法： https://www.sodocs.net/doc/9f75995.html,/link?url=4iwH0V1j4WBuIpzjyk6JInCJYge4W0D4c3DBGlfkaYZrLlc QT2R2gZk0Gzn4aEBEjYUtUFvW2UbpIWKHZyjW_AnhUZAwE6snkiPiJQRIAb7 原理： https://www.sodocs.net/doc/9f75995.html,/link?url=LjHmZXNEmu3gIwDldxud7KuU1JPKxL06_pnsAlD3Tl-nfAa0A8t6l 85OlpeNmsopmLINkbrjxC0y9pTfzUBoELpdzLP94rUOUfqJwNBL6sq 平均电流型APFC设计与仿真： https://www.sodocs.net/doc/9f75995.html,/link?url=VQWAuzsBCacWhLb9wnAd0e0bH-uzGZZ-QoHuY7Hd6oxCcGkC GalNi_vB8dU57zvATItdZD7oEL9d-tx6eXRFXtCmcASSRFaGRnXUlY8zabO 最常用传递函数详解: https://www.sodocs.net/doc/9f75995.html,/link?url=xwUgI0vVnLhwwPBumwzw8djBTX17si-A8EnfUokVXJf6oHBD1tF yKd9UsxOdzRIcTgP1YPQ1vvFqel2DAOsCatKJ_y0WbMr04goEZtFfESy 3. 单周期控制Boost PFC变换器分析与设计 https://www.sodocs.net/doc/9f75995.html,/s?wd=paperuri%3A%282937d385425e59bd0f238f44a1625d44%29&filt
基于Matlab的单周期控制三相高功率因数并网逆变器的建模与仿真
182/2009 收稿日期：2008-12-10 作者简介：杨志强（1982-），男，硕士研究生，主要研究方向为 电力电子与能源变换。
19 2/2009基于M A T L A B 的单周期控制三相高功率因数并网逆变器的建模与仿真考价值。 单周期控制的并网逆变器[7,8]可以等效为双并联的BUCK 型逆变器， 控制电路简单（复位积分器和一些逻辑器件），动态响应快，且开关损耗低，同一时间内，只有2个开关导通，大大减小了开关损耗。 1单周期控制三相PWM 并网逆变器建模 单周期控制作用于单个开关管时（在Boost 或Buck 电路中），能够很好地体现单周期的基本思想。假设开关频率f s =1/T s （T s 是开关周期）恒定[9]，开关管的工作过程可以用以时间t 为自变量的开关函数k (t )表示 。 （1）T on 是开关导通时间， 并且T on +T off = T s ，模拟控制信号V ref (t )调制占空比D =T on /T s 。根据单周期控制思想，开关输入信号x (t )与输出信号y (t )的关系为： y (t )=k (t )x (t ) （2）假设开关频率f s 高于输入信号x (t )和模拟控制信号V ref (t )的带宽频率，那么开关输出的有效信号为： （3）因此，可以通过调节占空比D (t )，使每个周期开关输出斩波波形的积分值恰好等于控制信号的积分值，即 ： （4）从而实现每个开关周期开关输出量y (t )的平均值等于参考量V ref (t )的平均值。这样，利用开关能完全抑制输入信号和线性化后的控制信号V ref (t )，使系统具有良好的可控性。 利用基于单周期控制的三相PWM 并网逆变器，可使输出电流与电网电压同相，减小无功功率的输出。为了简化推导过程做如下假设：电网电压为理想的三相电压源；各相的电感相等，即L a =L b =L c =L ；三相电路参数对称；开关频率远远大于工频；忽略开关器件的导通压降和开关损耗。图1是三相并网逆变器的主电路。 为使单周期控制简便，三相逆变器在6个区间内等 效为双并联Buck 型逆变器，该6个区间是按每相电压的过零点来划分的。三相电压6个区间的划分如图2所示。 在第1区间[0°，60°]内，i a ＞0，i b ＜0，i c ＞0，6个开关的动作如下：S bn 一直导通，同时S bp 、S an 和S cn 一直关断，控制开关S ap 和S cp ，使相电流i a 和i c 跟踪各自的相电压V a 和V c 。由于三相电压对称及V a +V b +V c =0，i a +i b +i c =0 ，i b 将自动跟踪V b [10,11]，对于其他区间可以进行类似的分析。从以上分析可知，每一时刻只有2开关动作，极大地减小了开关损耗。在区间1内，逆变器可以解耦为并联的双Buck 逆变器，其等效电路如图3所示。 由图3可以看出，开关S ap 和S cp 共有4种可变的开关状态：（1）S ap 和S cp 都导通；（2）S ap 导通，S cp 关断；（3）S ap 关断，S cp 导通；（4）S ap 和S cp 都关断。在一个开关周期内，只有2种可能的开关顺序，即（1）、（2）、（4）和（1）、（3）、（4）。按（1）、（2）、（4）开关顺序时，开关占空比d ap ＞d cp ；按（1）、（3）、（4）开关顺序时，开关占空比d ap ＜d cp 。假设开关频率远远大于电网频率，以第一种开关顺序为例，在一个开关周期内，由于电感电压的平均值为零，可以推导出式（5） 。 （5）式中：E ——逆变器直流侧电压。 同理可以证明式（5）对于第二种开关顺序也是成立的。 为了使功率因数接近1，电流和电压应该成比例 ， 图1 三相并网逆变器主电路 Fig.1 Main circuit of three-phase PWM GCI 图2 三相电压6个区间划分 Fig.2 Six regions of three-phase voltage 图3 区间内逆变器等效电路 Fig.3 Equivalent circuit of GCI in the region of 0° to 60°
单周期控制的三相PFC技术研究
单周期控制的三相PFC技术研究 摘要：本文给出了一种特殊的三相PFC电路，在分析了该电路的工作原理后，利用单周期控制技术于该电路。运用该控制技术去实时控制开关的占空比使得在每个开关周期内，开关整流器输出斩波波形的平均值恰好等于控制基准信号，可以实现三相单位功率因数和低电流畸变。所提出的控制器不需乘法器，仅由带复位的积分器、线性集成电路和逻辑器件组成。简化了电路结构，使该电路易于实现。本文最后通过理论分析、仿真研究和实验验证，证实了该电路及控制方式的合理性和可行性。该变换器的输入功率因数较高，基本在0.99左右，THD能降到10%以下，具有一定的实用性。 关键词：单周期；三相；PFC 中图分类号：M461 文献标识码：A 1.引言 单周期控制是一种非线性控制技术，该控制方法的突出特点是:无论是稳态还是暂态，它都能保持受控量(通常为斩波波形)的平均值恰好等于或正比于给定值，即能在一个开关周期内，有效的抵制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，这种控制技术可广泛应用于非线性系统的场
合，比如脉宽调制、谐振、软开关式的变换器等[2-5]，为达到理想的功率因数校正的目的，本文研究了一种基于单周期控制的三相三开关PFC电路，并根据分析所得，对电路进行了建模和仿真。仿真结果给出了输入电流与输入电压的波形，并分析了不同情况下对输入电流的影响。根据电路原理以及电路仿真，搭建了1KW的实验装置，对实验波形进行了分析。 2. 功率因数校正电路的分析 在三相电源领域中，人们提出了许多的电路拓扑结构和控制方法。本章给出了一种基于单周期控制的三相三开关PFC电路。重点分析了其工作原理与采用的控制方式，并通过实验和仿真验证其正确性。图一包括三个输入boost电感L1～L3，工作于电流连续导电模式（CCM），其中6个MOS 开关器件及6个二极管等效构成三个双向开关[6]。由于三相电路的对称性，电容中点电位UN与电网中点电位UO近似相等，因此通过控制三个双向开关的通断可分别控制相应相的电流。开关合上时相应相的电流幅值增大，开关断开时相应桥臂上的二极管导通(电流为正时，上桥臂二极管导通；电流为负时，下桥臂二极管导通)，在输出电压作用下电感中电流减小，从而实现对电流的控制[7]。 3. 单周期控制技术 单周期控制技术的特点就是要保证变换器的输出电压
单周期控制的参考文献
并联单周期控制三相PFC整流器 ——杨晨和科越马斯梅德利, IEEE的高级会员 摘要：并联三相功率因数校正（PFC）整流器，大功率应用是一个关键问题，因为它的功率范围延伸到一个更高的水平，并允许采用模块化设计,这对于电流共享和循环电流控制模块之间的技术来说是一个挑战。本文在两个并联整流器上研究这些现象，提出了一种新的电流共享的方法基于单周期控制（OCC）与向量运算和双极性操作。原来的OCC电路和各个模块之间的通信路径中，输入电流共享和循环电流是有限的，而OCC优点，如恒定的开关频率，没有乘法器，和简单的电路，将被保留。两个OCC PFC整流器各为2.5千瓦的建造和使用提出的并联方法绑在一起。实验已经证明了这种方法的简单性和有效性。 索引条款：循环电流，电流共享，单周期控制（OCC），并联整流，功率因数校正（PFC），向量运算。 一、引言 对于高功率应用，三相电源常用在交流 - 直流的情况下，通常有两种配置，一个是三个单相功率因数校正（PFC）整流器的组合，另一个是三相PFC整流器。后者具有独特的优势。首先，能流是恒定的，这可以降低电容器的数目和大小;第二，更少的使用交换机;第三，由于较高的效率，降低了开关损耗和传导损耗，而且，单周期控制（OCC）技术的控制电路与三相整流的控制电路一样的简单。 此外，三相PFC整流器并联运行的功率范围延伸到一个更高的水平，并允许模块化的设计。以往，N 1模块目的用于处理冗余，以提高系统的可靠性。然而，并联仍然不无风险。相关的并行PFC整流器在三相系统中有两个主要问题，如下所示：1）所有的模块的电流共享2）产生的相位不同的并联模块的循环电流。已经报道了许多方法以解决第一个问题。在所有的方法中，“自动主”（或称为“民主的电流共享”）方法得到广泛的普及，因为其简单，易于扩展的。然而，其局限性是互连参考总线之间需要的所有模块直接电流调节。至于循环电流而言，有许多文献致力于研究其抑制方案。在文献[7]中，一个三相隔离变压器是用来阻止分离每个PFC模块的输入的循环电流的通路。但是，变压器的笨重，尤其是对于高功率应用。在文献[8]，循环路径的阻抗间增加电抗器。此方法用于高频循环电流是有效的。对于在低的频率，例如两个不同的模块的拍频电流，该反应器可以是太笨重。在文献[9]和[10]，所有模块之中，将它们作为一个单一转换器的部分插入同步控制。然而，这种方法需要一些高频的通信信号，是容易受噪声污染的，并且转换器的安装不灵活。第[11]文献提出一个非零向量空间矢量调制（SVM），以避免循环电流当并联PFC整流器间断SVM控制的可能性。它虽然不连续，但支持向量有效地降低了开关损耗，不连续的6个区域的边界处的平均占空比给了循环电流一个机会，因为在连续的区域中使用两种类型的零矢量。然而，非零矢量SVM的方法给出了一个较大的电流纹波。第[13]文献，在零矢量的占空比的控制变量引入并联PFC整流器的平均模型的基础上。通过控制零矢量的持续时间与一阶的电流控制回路，循环的电流可以被极大地抑制。为了改善瞬态表现所提出的方法，文章[14]提出的连续和离散变结构控制方法，这是基于DQ变换的信息。 [11]，[13]，[14]，以DSP或微处理器为基准计算，向量选择，或转
基于单周期控制的交互式PFC数字控制技术
基于单周期控制的交互式PFC数字控制技术 单周期控制交互式PFC 数字控制 1引言 单周期控制技术是一种大信号、非线性PWM控制技术[1]，具有较快的动态响应速度和输入扰动抑制特性，其基本控制思想是通过控制开关器件的占空比，使每个开关周期中开关变量的平均值严格等于或正比于控制参考量。单周期PFC电路无需传统PFC电路中的乘法器和输入电压采样，大大简化了PFC电路的设计、缩小了PFC电路的体积、降低了电路成本。数字实现的单周期功率因数校正技术在保证模拟单周期PFC技术优点的同时，克服了模拟单周期PFC技术控制参数固定、控制参数适应范围小的问题，正在得到越来越广泛的关注。 交互式功率因数校正技术就是为了增加大功率PFC变换器功率密度以及减小电感和电容的体积而设计的。交互式PFC不仅能够有效减小电感量，而且有利于减小输出电容的纹波电流大小，因此在大功率PFC电路中得到较多的应用。本文提出了一种基于单周期控制的交互式PFC数字控制技术，并对其进行了分析和研究。 2单周期交互式PFC数字控制原理 2.1 单周期PFC技术原理 交互式PFC是两路独立的以180度相位差输出的变换器。由于它们的交互式工作，所以它们的纹波可以彼此进行对消，从而减小输入的纹波电流。图1为单周期实现的交互式PFC变换器控制原理框图。 图1 单周期实现的交互式PFC原理框图 单周期PFC变换器的控制目标就是使图1中的变换器输入电流跟随整流后变换器的输入电压波形，同时又要保持输出电压稳定到给定值。
假定控制系统已经满足PFC变换器输入电流与输入电压成比例且相位一致，整个变换器可以等效为一个电阻Re，于是可以得到： (1) 式中Re为PFC变换器的等效电阻，ig为电感电流瞬时值，ug为整流器输出直流电压瞬时值。 对于Boost型PFC变换器来说，在一个开关周期内，其输入电压ug、输出电压Uo和开关管占空比D的关系为： (2) 所以可以得到： (3) 定义Rs为PFC变换器中等效电流检测电阻，则有： (4) 令，代入公式(4)可得： (5) 式中T为开关周期。 可以构造以下控制方程组： (6)
单周期控制ICIR的PFC电路的设计
用单周期控制IC*IR1150的PFC电路的设计此应用注意描述了利用升压变换器和IR1150S的PFC控制IC的连续导通模式功率因数校正电路的设计方法。IR1150是有关对PFC变换器控制的IR公司专利的“单周期PFC控制”技朮。此应用注意给出了一个完整逐步的包括变换器规格和必须折衷的方法的设计步骤。 涉及的课题 ◆功率因数校正。 ◆单周期控制的工作方式。 ◆IR1150的功能的详细描述。 ◆设计步骤和设计实例。 ◆设计总结。 介绍 功率因数定义为实际功率与视在功率的比值，实际功率是在一个周期内测得的瞬态功率的时间积分，视在功率是在一个完整的周期内电压的均方根值与电流的均方根值的乘积。 对一个正弦电压的表达公式可以写作： V rms是线路电压的均方根值。 I rms是线路电流的均方根值。 I rms1是线路电流的基波谐波。 Φ是电压和电流之间的相位差。 在这种情况下，功率因数可以分为失真因子和位移因子： 电压和电流波形之间的相位移动量可以由输入的感抗和容抗的无功实质来说明。
在一个纯阻抗负载中，电压和电流是同相位的正弦波，实际功率等于视在功率，PF = 1。 单周期控制技术在的PFC中的应用 变换器输出电压V O通过输出分压器按比例减小，送回到误差放大器的输入端V FB。误差放大器用来提供回路补偿，并且产生误差信号或调制电压Vm。见图1。 图1 误差放大器电路图2 单周期控制技术的核心电路单周期控制的核心是可重置的积分器。此积分电路调制电压并在每一个开关周期的末端被复位。见图2。 因为电压回路的带宽非常窄，调制电压的变化会非常非常慢，在此开关周期内可以认为它是恒定的量值。这意味着积分器的输出将是线性斜波。积分器斜波的斜率与误差放大器的输出电压Vm成正比。见图3。 图3 可以重置的积分器的特性图4 PWM信号发生器 这里一个重要的特性即是积分器的积分时间常数必须与开关周期匹配，以便于在每个周期的最后，斜波要与积分器的积分值匹配。