单周期控制PFC Boost变换电路的建模与仿真

单周期控制PFC Boost变换电路的建模与仿真
刘志星
【摘要】介绍了单周期控制型PFC Boost变换器的结构,分析了其工作原理,并采
用Matlab仿真软件下的Simulink和SimPowerSystems工具箱对单周期控制型PFC Boost变换器进行了建模和仿真.仿真结果表明,单周期控制型PFC Boost变换器控制电路简单可靠,输入功率因数高,能够实现单位功率因数运行,电流谐波失真小.【期刊名称】《沈阳工程学院学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2011(007)003
【总页数】3页(P207-209)
【关键词】功率因数;单周期控制计算机仿真
【作者】刘志星
【作者单位】南车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部变流开发部,株洲412001
【正文语种】中文
【中图分类】TM461
随着变频器、开关电源等各种电力电子设备在工业领域中的应用日益广泛，电网的电流谐波问题越来越严重，谐波污染给系统本身和周围的电磁环境带来了一系列的危害.因此功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)技术已成为电力电子技
术领域一个新的研究热点.目前，常用的功率因数校正技术主要包括电流峰值控制、
电流滞环控制、平均电流控制、单周期控制等［1］.单周期控制技术是20世纪90年代初由Keyue M.Semdley提出的一种新型非线性控制技术［2］，与传统的平均电流控制技术相比，单周期控制技术不需要乘法器，具有动态响应快，抗干扰能力强等优点.
1 单周期控制原理
图1为单周期控制PFC Boost变换器的原理图［4］.根据功率因数的定义可知，要实现功率因数校正，必须满足式(1)，即
图1 单周期PFC Boost变换器控制
式中，R e为变换器的输入端阻抗.
如果在任何1个开关周期内，R e可以等效为1个纯电阻，则功率因数为1.在1个开关周期内PFC Boost变换器的输入电压和输出电压的关系可以表示为
令
式中，R s为等效采样电阻.
合并式(1)～式(3)可得
当输出滤波电容C足够大时，U0可以看作为常数.在1个开关周期内，可以将U in看作恒定不变.由式(4)可见，I in总是跟随U in，从而变换器的输入端阻抗等效为1个电阻，实现了功率因数校正.控制目标如式(5)所示.
2 仿真研究
为了验证单周期PFC Boost变换器控制理论分析的正确性，这里利用Matlab仿
真软件下的Simulink和Powersystems工具箱对该电路进行了建模和仿真研究，仿真模型如图2所示.其中产生开关器件IGBT触发脉冲的子模块内部控制框图如
图3所示［3，6］.
图2 仿真模型
图3 产生IGBT触发脉冲信号模型
这个系统仿真参数为:交流电源V s=220 V，交流电源频率50 Hz，IGBT的开关频率50 kHz，输入前级EMI滤波器中的电容33 uF，电感2 mH，输出电压400 V，负载电阻R=640 Ω，平波电感L1=1 mH，输出滤波电容C=470 uF.检测输出电
压的分压电阻R1=1 580 kΩ;R2=20 kΩ;电流采样电阻R s=0.02 Ω.图4给出了交流侧电压、电流的仿真波形，图5给出了输入电流的频谱含量波形，图6给出了
负载电阻上的输出电压波形.
图4 输入电压和电流仿真波形
图5 电源输入电流的频谱
图6 负载输出电压仿真波形
由仿真波形图可以看出，当系统正常运行时，交流侧电压和电流基本上同相位，说明该变换器能够实现单位功率因数运行，并且电流的波形也近似为正弦波(其谐波
失真THD=3.46%)，说明交流侧电流的谐波很小，完全能够满足电网的要求.由图
6也可以看出，负载输出电压在0.1 s后基本稳定在400 V附近，说明该系统能够保持稳定的输出电压.
3 结论
介绍了单周期控制型PFC Boost变换器的结构，分析了其工作原理，并采用Matlab仿真软件下的Simulink和SimPowerSystems工具箱对单周期控制型PFC Boost变换器进行了建模和仿真研究.仿真结果表明，单周期控制型PFC Boost变换器控制电路简单可靠，输入功率因数高，能够实现单位功率因数运行，
电流谐波失真小.
参考文献
［1］ Nakamura M，Fujitani Y，Kawauchi S.Several Recent Circuits in the Small Power UPS System［J］.National Convention Record，1995，2(S－1 －2 －2).
［2］ Keyue M Semdley，Sloboan Cuk.One-cycle control of switching converters［J］.IEEE T ran s on Power Electronics，1995，10(6):625－633. ［3］浦锡锋，王宏华.基于MATLAB的单周期控制PFC BOOST变换电路建模与
仿真［J］.电气技术与自动化，2007，36(6):145－147.
［4］揭东华，马运东.单周期控制BOOST PFC变换器［J］.电源技术应用，2007，10(4):40 －43.
［5］ Su G J，Donald J parative study of power factor correction converters for single phase half-bridge inverters［J］.PESC，2001:995 －1000.。