2019年5月我在微信公众号平台推送过基于数字单周期的控制的交错CCM PFC的PSIM模型,但是百度网盘的下载链接失效了,很多人都留言给我希望我恢复那个模型下载,但是我搞丢了源文件所以就没办法恢复了,于是周末把单周期控制在PLECS环境里面实现了,顺便温习了一下单周期的控制方法。

 

单周期的实现原理可见:《Bridgeless PFC Implementation Using One Cycle Control Technique》,下面只是快速引出控制模型。

 

PFC 电路目的是要使电感电流Ig 的低频波形(50Hz)跟随整流后的输入电压波形Vg,同时又要保持输出电压为Vo。若控制电路的控制策略满足了电感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:

 

Vg = Re * Ig

 

对于BOOST变换器,输入电压和输出电压的关系满足:

Vg = Vo * (1 - d )

 

将上式合并得到:

Re * Ig = Vo * (1 - d)

 

定义Rs为PFC变换器中的电流检测电阻,将上式同时乘以Rs,可得:

Rs * Ig = Vo * Rs * (1 - d) / Re

 

若令:

Vm = Vo * Rs / Re

 

化简并整理:

Vm -Ig * Rs = Vm * d

 

上式即为单周期控制 PFC电路最重要的数学模型。Vm 在理论上是与Vo成比例的直流电压,若占空比d可以满足上式,则可以保证电感电流Ig 与半波正弦输入电压Vg 波形一致,从而实现PFC 功能。设变换器的开关周期为 T,构造单周期控制方程组:

 

 

 如果通过控制系统检测或计算到V1(t)或V2(t),并将其进行比较就可以得到开关器件的占空比d,实现单周期PFC控制。传统模拟单周期控制方案的核心是可复位的高速积分器和加法器,这两个功能利用硬件能比较容易的实现。

  

图 1 和图 2 分别给出了基于Boost 拓扑的“后沿调制”模式单周期控制 PFC 电路和关键波形。

 

 

图 1 中输出电压Vo通过电阻Ra 和 Rb 分压后接入误差放大器OP1 反向输入端,通过 PI 调节得到控制电压Vm 。Vm 一路与电感电流检测信号igRs ( t)  运算得到V 1(t ) ,另一路经过带有复位开关的积分器得到V2(t ) 。之后V1( t)与V 2( t) 接入比较器 COMP进行比较,以确定开关管占空比d 。

 

 

参考图 2 的波形,一个周期内的工作状态如下所述:首先t1时刻时钟 CLOCK 产生的脉冲将 RS 触发器置位。Q 端输出高电平,通过驱动电路开通开关管。同时,运放 OP3 构成的积分器工作,三角波V 2(t ) 开始上升。直到t2 时刻V 2(t ) 达到V 1(t ) 的幅值,比较器 COMP 翻转输出高电平将 RS 触发器复位。Q 端输出低电平,开关管关断。直到下一个周期初始 CLOCK 时钟来临 (t3 时刻)又开始重复上述过程。

 

如果要把模拟里面的控制方法转到DSP里面做数字控制则会显得比较麻烦,首先是实现对采样电流的实时减法操作。然后根据减法器的输出去控制占空比,显然ADC的速度达不到这么高的速度。因此数字单周期控制必须根据模拟单周期控制的思想,做出一定的改进。在数字控制系统中,对输入电流采样的频率一般远高于100Hz。通常会采用一个开关周期一次采样的方法,故可以认为在一个开关周期内数字控制系统所采样到的Ig和调节信号Vm为固定值,利用了数字控制系统中的ZOH效应。

 

如果直接把单周期控制方程离散后,计算V2(t)会很复杂,也会浪费很多计算量。根据前文可知,设定在一个开关周期内数字控制系统所采样到的Ig和调节信号Vm为固定值,所以把单周期控制方程同时除以Vm用于简化V2(t)的计算,变为:

 

 

改进后的数字单周期控制方程将变得容易计算,通过对V1(t)和V2(t)进行比较实现功率级的开关控制,很容易得到控制所需的占空比。到此,所有理论已经建立,下面可以建立数字单周期的控制模型。电压环采样后加Notch filter滤波器,抑制二次谐波,使用离散PI控制。将电感平均电流做低通滤波器后的采样值除以电压环PI的输出值,得到在单个开关周期内的占空比控制值,再与外部三角波进行比较,即可得到控制功率级的占空比,可见下图所示。

 

 

控制部分:

 

 

PWM调制部分使用倒三角调制,载波频率50KHZ,两路载波错相180°,与单周期电流内环比较输出占空比。

 

可见运行波形:176V输入,6.6KW负载:

 

 

输入电压电流:

 

 

参考文档:

1, One Cycle Control of Switching Converters  Keyue M. Smedley1 and Slobodan ′Cuk,1991

 

2, IR1150S Data Sheet[S].International Rectifier Corp.,2005

 

3, PFC Converter Design with IR1150 One Cycle Control IC,AN1077 .International Rectifier Corp.,2005.

 

4, 基于数字控制的单周期PFC 技术的研究,张有林,2010