《电子技术应用》

集成功率解耦的单相PFC AC/DC变换器设计及控制

2017年电子技术应用第7期 作者:崔 超,李红梅,张恒果,曹灵灵
2017/8/18 13:49:00

崔  超,李红梅,张恒果,曹灵灵

(合肥工业大学 电气与自动化工程学院,安徽 合肥230009)


    摘  要: 对于电动汽车车载充电器,其前端PFC AC/DC变换器输出存在二倍频脉动功率,传统解决方法导致充电器使用寿命和安全可靠性的直接下降。为此,论文采用的方法降低了变换器输出脉动功率和电容容量,并基于功率解耦电路工作原理的分析,完成其关键参数的确定。针对PFC AC/DC变换器设计无模型非线性功率控制器,旨在提升变换器的动静态性能和鲁棒性,针对2 kW车载充电器,建立了集成功率解耦电路的PFC AC/DC变换器的SIMULINK仿真模型,通过系统仿真研究证实所建立的集成功率解耦电路的PFC AC/DC变换器一体化解决方案的可行性和有效性。

    关键词: PFC AC/DC变换器;二倍频脉动功率;功率解耦;无模型非线性功率控制

    中图分类号: TU411.01

    文献标识码: A

    DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.07.035


    中文引用格式: 崔超,李红梅,张恒果,等. 集成功率解耦的单相PFC AC/DC变换器设计及控制[J].电子技术应用,2017,43(7):140-142,147.

    英文引用格式: Cui Chao,Li Hongmei,Zhang Hengguo,et al. Design and control of single-phase PFC AC/DC converter integrated with power decoupling[J].Application of Electronic Technique,2017,43(7):140-142,147.

0 引言

    单相PFC AC/DC变换器具有体积小、效率高等优点,在电动汽车车载充电器及其他工业电源系统中获得了广泛的应用[1]。但是系统输出端所固有的二次纹波电压会引起电池寿命下降及电池过热等一系列问题。传统的做法是在直流输出端加入由电解电容组成的滤波电路[2],虽然电解电容具有容量大且价格低的优点,但是电解电容的等效串联电阻较大且可靠性较差,相比于系统中的其他器件,其平均使用寿命较短,为此,电解电容失效或者故障是车载充电器主要的频发故障之一。

    相比电解电容,薄膜电容在多方面都优于电解电容,并且具有更高的使用寿命。采用薄膜电容取代电解电容虽可显著提升车载充电器的使用寿命和系统的安全性,但是在同样的电容体积约束条件下,较之电解电容,薄膜电容的二倍频脉动功率吸收能力有限。为此,文献[3]、[4]提出了解决这一问题的两种方法,本文采用主动功率解耦的方法来吸收二倍频脉动功率,其基本原理是在系统中加入功率解耦电路,将二倍频脉动功率存储在功率解耦电路的储能器件中,降低输出电压纹波,使负载获得恒定的直流功率。

    此外, PFC AC/DC变换器本身的非线性以及实际存在的系统内、外参数扰动,使得系统存在动态响应慢及扰动抑制能力差等问题。无模型控制方法[5]具有控制结构简单且不依赖于系统数学模型,对于系统干扰、测量噪声以及未建模动态具有强鲁棒性的技术优势。为此,为了在有效吸收PFC AC/DC变换器二倍频脉动功率的基础上,兼顾提升系统的动态性能及鲁棒性,针对2 kW功率等级的车载充电器,论文重点研究集成功率解耦电路的PFC AC/DC变换器设计及其控制。首先分析功率解耦电路工作原理并确定其关键元器件参数;其次,分别设计PFC AC/DC变换器的无模型非线性功率控制器、功率解耦电路控制器。最后,通过系统建模与仿真证实变换器具有良好的脉动功率吸收能力并且系统动静态性能及鲁棒性较好。

1 PFC AC/DC变换器输出功率解耦电路原理与关键参数计算

    基于Boost电路的PFC AC/DC变换器输出功率Po存在二倍频脉动功率,导致其输出侧需应用大容量电解电容以减小其产生的二次电压纹波,其输出功率Po可分解为直流功率PDC和交流功率pac两部分。论文建议额外增设功率解耦电路,并控制其吸收的功率等于pac,使输出负载上获得恒定的直流功率PDC,进而消除PFC AC/DC变换器输出电压中的二次纹波。

    集成功率解耦电路的PFC AC/DC变换器主电路拓扑如图1所示,与传统的PFC AC/DC变换器主电路拓扑相比,其直流输出部分增设了吸收二倍频脉动功率的功率解耦电路,此功率解耦电路由全控整流桥、电感Ld和电容Cd组成,其中Cd用于吸收二倍频脉动功率,Ld取值较小,其主要作用是消除全控整流桥工作时产生的高频开关电流纹波。此时的PFC AC/DC变换器主电路滤波电容C1仅用于吸收主开关管S的高频开关谐波,其电容容值可取较小值,为此,可选择薄膜电容,以提高车载充电器的安全可靠性及其使用寿命。

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    集成功率解耦电路的PFC AC/DC变换器的瞬时输入功率表达式为:

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    为了简化推导,假定变换器变换效率为100%,基于上述分析,若控制流过电容Cd的电流准确跟踪如式(2)所示的电流参考值icref,则功率解耦电路可完全吸收变换器输出二倍频脉动率。

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    电感元件Ld的作用是在消除高频开关纹波的同时,将电流纹波限制在一定的允许范围内。由于开关频率较高,在一个开关周期内可视电容Cd两端的电压保持不变,由电感伏秒平衡原理可知当系统稳定工作时,在一个开关周期内电感上的电流总变化量为零,若将电感电流纹波系数取为30%,经计算确定电感Ld取300 μF。

2 集成功率解耦电路的PFC AC/DC变换器控制策略

2.1 PFC AC/DC变换器的无模型非线性功率控制

    由于功率解耦电路、PFC AC/DC变换器所实现功能是互相独立的,为此,可独立设计各自的控制器实现集成功率解耦电路的PFC AC/DC变换器控制。对于PFC AC/DC变换器,针对系统本身的非线性以及实际存在的系统内、外参数扰动,在文献[5]所提出的无模型控制及文献[6]所提出的非线性功率控制的启发下,拟定的控制PFC AC/DC变换器的设计思路是控制PFC AC/DC变换器的输入功率跟踪其输入功率参考值,实现AC/DC变换和功率因数校正,即针对PFC AC/DC变换器设计其无模型非线性功率控制器。

    首先基于PFC AC/DC变换器的输入和输出,建立PFC AC/DC变换器超局部模型,其表达式为

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    无模型非线性功率控制的PFC AC/DC变换器如图2所示,PFC AC/DC变换器超局部模型的准确建立依赖于F的准确估计,本文采用文献[6]所给出的方法估计参数F。

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2.2 功率解耦电路的准PR控制 

    鉴于PR控制在谐振频率处的增益为无穷大,因此理论上PR控制对于正弦交流信号可以实现无静差跟踪,由于功率解耦电路的电流参考信号是正弦交流量,并且考虑实际应用中的噪声以及系统不稳定等问题,实施准PR控制。其控制思路是通过控制流过电容Cd的电流ic跟踪电流参考icref以实现二倍频脉动功率的有效吸收。

    准PR控制器的传递函数为:

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    首先根据电网允许频率波动,确定准PR控制器的截止频率ωc,其比例与积分系数可通过控制变量法进行调节,直到系统的动态和稳态性能达到要求为止[7]

3 系统建模与仿真研究

    基于MATLAB/Simulink软件建立了系统的仿真模型,并与传统PI控制的PFC AC/DC变换器性能进行分析比较,部分设计参数和主要元器件参数如表1所示。

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    如图3所示,较之PI控制,建议的控制策略具有无超调、动态响应快及鲁棒性强的技术优势。

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    图4所示为在2 kW工况下,无模型非线性功率控制的PFC AC/DC变换器在不同条件下输出电压动态。图4(a)所示是在输出滤波电容C1为100 μF时的输出电压动态,电压纹波达到了90 V;图4(b)为论文建议的集成功率解耦电路的PFC AC/DC变换器系统在输出电容为100 μF条件下的输出电压动态,其电压纹波仅为2 V。系统仿真研究结果表明:该方法可有效吸收PFC AC/DC变换器所存在的二倍频脉动功率,且输出滤波电容C1的容量降低9~10倍,为薄膜电容代替电解电容提供了可能;此外,系统兼具良好的鲁棒性。

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4 结论

    为了在充分吸收车载充电器PFC AC/DC变换器二倍频脉动功率的基础上,兼顾提升系统的动静态性能,针对2 kW功率等级的车载充电器,完成了集成功率解耦电路的PFC AC/DC变换器主电路的设计,给出了PFC AC/DC变换器的无模型非线性功率控制器设计及功率解耦电路的准PR控制器设计,给出了集成功率解耦电路的PFC AC/DC变换器的一体化解决方案。最后,通过系统建模与仿真研究证实了所建议的集成功率解耦电路的PFC AC/DC变换器不仅具有良好的二倍频脉动功率吸收能力,而且兼具好的动静态性能及鲁棒性。此外,建议的PFC AC/DC变换器的一体化解决方案为薄膜电容代替电解电容提升提高车载充电器的安全可靠性及其使用寿命也提供了可能。鉴于上述,论文的研究对于车载充电器前级PFC AC/DC变换器的设计及控制均具有参考借鉴价值,可望实现直接的推广应用。

参考文献

[1] 朱光欢.电动汽车车载充电机及其相关技术研究[D].广州:华南理工大学,2011.

[2] 王源卿,李红梅.电动汽车车载充电机PFC AC/DC变换器设计[J].电子技术应用,2015,41(2):152-155.

[3] 张国安,祁承超,张显才.瞬时并联补偿消除开关电源高频纹波的研究[J].电力电子技术,2008,42(6):22-24.

[4] LI H,ZHANG K,ZHAO H,et al.Active power decoupling forhigh-power single-phase PWM rectifiers[J].IEEE Transactions on Power Electronics.,2013,28(3).

[5] FLIESS M,JOIN C.Model-free control[J].International Journal of Control,2013,86:2228-2252.

[6] MAJID P,PRITAM D,JOSEF D,et al.A new control approach based on the differential flatness theory for an AC/DC converter used in electric vehicles[J].IEEE Transactions on power electronics,2012,27(4).

[7] Hanju Cha,Trung-Kien Vu,Jae-Eon Kim.Design and control of proportional-resonant controller based photovoltaic power conditioning system[C].IEEE Energy Conversion Congress and Exposition,2009.

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