PFC直接电流控制策略综述

PFC的控制策略按照输入电感电流是否连续,分为电流断续模式(DCM)和电流连续模式(CCM),以及介于两者之间的临界DCM(BCM)。有的电路还根据负载功率的大小,使得变换器在DCM和CCM之间转换,称为混连模式(Mixed Conduclion Mode一一MCM)。而CCM根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈量,又可分为直接电流控制和间接电流控制。直接电流控制检测整流器的输入电流作为反馈和被控量,具有系统动态响应快、限流容易、电流控制精度高等优点。本文总结了PFC技术的直接电流控制策略,对比分析了几种典型控制策略的优缺点,指出了这些控制技术的发展趋势。
    直接电流控制有峰值电流控制、滞环电流控制、平均电流控制,预测电流控制、无差拍控制、单周控制、状态反馈控制、滑模变结构控制、模糊控制等方式。

1 各种直接电流控制策略
1.1 峰值电流控制
    峰值电流控制的输入电流波形如图1所示,开关管在恒定的时钟周期导通,当输入电流上升到基准电流时,开关管关断。采样电流来自开关电流或电感电流。峰值电流控制的优点是实现容易,但其缺点较多：

    1)电流峰值和平均值之间存在误差,无法满足THD很小的要求;
    2)电流峰值对噪声敏感;
    3)占空比>0.5时系统产生次谐波振荡;
    4)需要在比较器输入端加斜坡补偿器。
    故在PFC中,这种控制方法趋于被淘汰。
1.2 滞环电流控制
    滞环电流控制的输入电流波形如图2所示,开关导通时电感电流上升,上升到上限阈值时,滞环比较器输出低电平,开关管关断,电感电流下降;下降到下限阈值时,滞环比较器输出高电平,开关管导通,电感电流上升,如此周而复始地工作,其中取样电流来自电感电流。

    滞环电流控制是一种简单的Bang-hang控制,它将电流控制与PWM调制合为一体。结构简单,实现容易,且具有很强的鲁棒性和快速动态响应能力。其缺点是开关频率不固定,滤波器设计困难。
    目前,关于滞环电流控制改进方案的研究还很活跃,目的在于实现恒频控制。将其他控制方法与滞环电流控制相结合是SPWM电流变换器电流控制策略的发展方向之一。
1.3 平均电流控制
    平均电流控制的输入电流波形如图3所示。平均电流控制将电感电流信号与锯齿波信号相加。当两信号之和超过基准电流时,开关管关断,当其和小于基准电流时,开关管导通。取样电流来自实际输入电流而不是开关电流。由于电流环有较高的增益带宽、跟踪误差小、瞬态特性较好。THD(<5％)和EMI小、对噪声不敏感、开关频率固定、适用于大功率应用场合,是目前PFC中应用最多的一种控制方式。其缺点是参考电流与实际电流的误差随着占空比的变化而变化,能够引起低次电流谐波。

1．4 预测电流控制
    预测电流控制就是通过对输入、输出电压和输入电流的采样,根据实际电流和参考电流的误差,选择优化的电压矢量(脉冲宽度)作用于下一个周期,使实际电流在一个周期内跟踪卜参考电流,实现稳态无误差。其优点是开关频率固定,动态性能良好,电流谐波小,器件开关应力小,数字化实现简单。其缺点是要求较高的采样频率和开关频率,在低的采样频率下,会产生周期性的电流误差。
1．5 单周控制(积分复位控制)
    单周控制是一种非线性控制,同时具有调制和控制的双重性。其原理如图4所示。单周控制通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的。

    这种方法的基本思想是通过控制开关占空比,在每个周期内强迫开关变量的平均值与控制参考量相等或成一定比例,从而在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差,前一周期的误差不会带到下一周期。单周控制能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰,具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、抗干扰、控制电路简单等优点,是一种很有前途的控制方法。其缺点是需要快速复位的积分电路,单周控制在DC／DC变换器中已经得到充分的研究．作为一种调制方式,该技术在PFC方面也有了广泛的应用。
1．6 无差拍控制
    无差拍控制的基本思想是将输出参数等间隔地划分为若干个取样周期。根据电路在每一取样周期的起始值,预测在关于取样周期对称的方波脉冲作用下某电路变量在取样周期末尾时的值。适当控制方波脉冲的极性与宽度,就能使输出波形与要求的参数波形重合。不断调整每一取样周期内方波脉冲的极性与宽度,就能获得波形失真小的输出。
    该方法是一种全数字化的控制技术。它利用前一时刻的指令电流值和实际补偿电流值,根据空间矢量理论计算出整流器下一时刻应满足的开关模式。其优点在于数学推导严密、跟踪无过冲、动态性能好,易于计算机执行等。缺点是计算量大,且对系统参数依赖性较大。但是,随着数字信号处理单片机(DSP)应用的不断普及,这是一种很有前途的控制方法。
    基于空间电压矢量PWM的电流无差拍控制方法,开关频率恒定,调节性能良好,代表了目前国际上PFC技术的先进水平。
1.7 滑模变结构控制
    上世纪50年代在前苏联发展起来的滑模变结构控制,用于控制电力电子变换器有其天然的合理性。因为构成多种变换器的电子开关所产生的不连续性,使各类电力电子变换器正好被描述为变结构系统,而在变结构系统中滑模变结构控制的滑动模态具有不变性,即对系统的变化和外部干扰不敏感,具有很强的鲁棒性。这样,滑模变结构控制就能很容易地应用于整流器、逆变器及
由开关变换器驱动等相关领域的应用研究,并获得良好的控制效果。
    变流器的时变参数问题是人们一直努力解决的问题。考虑到开关变换器的开关切换动作与变结构系统的运动点沿切换面高频切换有动作上的对应关系,因而可以考虑用滑模变结构这种方法来控制变流器。
    在整流器的功率因数校正系统中,输入电流的稳态特性和输出电压暂态特性之间存在着矛盾的关系,应用滑模变结构控制方法．可以在输入电流的稳态特性和输出电压暂态特性之间进行协调,在使输入电流满足有关标准的前题下,尽可能地提高输出电压动态响应。
1.8 占空比控制
    这种控制方法不用电流传感器,由于是基于斜坡比较技术。因而开关频率固定;另外,以往的控制方法都是在理想的三相平衡状态下得出的数学模型。用占空比控制方法比传统的控制方法在分析三相不平衡系统中具有更大的优势,比如在建模、电压调节器参数调整等方面。
l.9 基于Lvapunov的非线性大信号方法控制
    传统控制方法的数学建模一般是基于系统的小信号线性化处理。这种方法的共同缺点是对系统的大信号扰动不能保证其稳定性。基于这种考虑,文献[16]提出了用大信号方法直接分析这种非线性系统,仿真和实验结果表明,系统对大信号扰动具有很强的鲁棒性。
    与现代控制理论相关的控制方法如状态反馈控制(极点配置),二次型最优控制,非线性状态反馈,模糊控制,神经网络控制等,都可以用在PFC电路中。但这些方法还不成熟,处于积极的探索之中。基于大功率电子设备的要求,目前多电平变换器和各种简单拓扑的串联、并联等拓扑相继提出,对于这些电路的控制,除采用现有的控制策略外,还尝试发展更有针对性的控制技术。

2 总结与展望
    CCM控制中,直接电流控制适用于对系统性能指标和快速性要求较高的大功率场合,应是发展的主流。中大功率的电力电子设备在电网中占有很大比重,因此,三相PFC应是PFC研究的重心。随着三相PFC整机成本的提高和开关频率的降低,依托高速的数字处理器,数字控制成为发展的主流。由于各种控制策略都有优缺点,将各种控制策略合理搭配,取长补短,可以收到理想的控制效果,这也是控制技术发展的一个方向。