CCM单相Boost型PFC变换器的控制

图3-13为CCM单相Boost型PFC变换器的控制框图，其中点画线框为控制电路。控制电路由电压PI调节器VA、乘法器MP、电流PI调节器CA、产生PWM信号的比较器、驱动器等组成。从控制系统的角度看，整个控制系统包含两个控制环路：一个是输出电压控制环路，其作用是实现输出电压的稳定控制，使得输出电压V_o跟踪参考值V_ref，对应的调节器为VA；另一个是电感电流控制环路，其作用是使电感L的电流i_L的波形跟踪电网电压整流波形v_d（馒头形）的瞬时值的变化，而电流参考信号L_ref的幅度由电压调节器VA的输出I_SM来设定，这样电网输入电流i_s就按照正弦波变化，对应的调节器为CA。

图3-13中，设输出电压的参考值为V_ref，输出电压的测量值为V_o，参考值V_ref与输出电压V_o的误差经过电压调节器VA计算，得到一个反映电网需要向变换器输入所需功率的参考值I_SM，I_SM对应了正弦波电流i_s的幅值。当输出电压V_o大于参考值V_ref时，I_SM就减少；当输出电压V_o小于参考值V_ref时，I_SM就增大。当输出电压V_o等于参考值V_ref时，I_SM保持不变。

图3-13 CCM单相Boost型PFC变换器的控制框图

电流调节器CA的电流参考值来自乘法器MP的输出i_ref，反馈量为Boost型电感L的测量值i_L，电流环的作用是使输入电网电流i_s与电网电压v_s相位相同，且输入电网电流波形也是正弦波。这里电流参考信号i_ref十分关键，i_ref信号由乘法器MP产生。乘法器MP有两个输入端：一个输入为I_SM，它来自电压调节器VA的输出，反映输入变换器的功率大小；另一个输入来自整流桥直流侧电压的测量值v_d，它由电网电压v_s经过整流以后得到的馒头形波。乘法器MP输出可以表示为

乘法器MP输出作为电流环参考信号i_ref，它是一个馒头形波形，与交流电源电压v_s相同，即在半个工频周波中，电流参考值i_ref是与交流电源v_s同相位的正弦波。电流环参考信号i_ref的幅值与电压调节器VA的输出I_SM成正比，即取决于实际电压V_o与电压参考值V_ref的误差。电流调节器CA的反馈端来自Boost型电感L的测量值i_L，将电流参考值i_ref与测量值i_L之差，经过电流调节器CA的运算得到的输出v_C作为PWM的调制信号。由PWM输出控制开关管的占空比，使电感电流跟踪正弦波参考电流i_ref，实现功率因数校正的目的。

PWM由三角波信号发生器和比较器构成，如图3-14所示。由锯齿波发生器产生恒定峰值和恒定周期的锯齿波，与控制量v_c（t）经比较器比较后输出脉冲序列δ（t），脉冲的占空比D与v_c成正比。PWM输出的PWM脉冲列的重复周期为T_s，占空比可以表示为

式中，V_M是锯齿波的峰值，0≤v_c≤V_M。

图3-14 PWM原理电路和波形

PWM的输出信号经驱动器的功率放大后驱动开关管V的通或断，使i_L跟踪电流参考信号i_ref。这样输入电流i_s的波形与交流电源电压V_s的波形近视相同，输入电流i_s中的谐波大为减少，输入端功率因数接近于1。另外，通过输出电压外环控制又能保证输出电压V_o跟踪电压参考值V_ref。

图3-15给出了CCM Boost型PFC控制电路的改进电路，增加了一个二次方演算器SQ和一个除法器DIV。全波整流桥直流输出电压v_d除以一个直流量V_div后再送到乘法器MP。

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图3-15 CCM Boost型PFC控制电路的改进电路

全波整流桥直流输出电压v_d经过RC滤波，得到输出信号为

V_f=k_fV_s （3-43）

V_f与输入电网电压有效值V_s成正比。V_f经过二次方演算器得到V_div为

直流量V_div与电源电压有效值V_s的二次方成正比。加入除法器的目的是使电压外环回路增益不随电网电压有效值的变化，可以消除电压外环回路传递函数依赖电网电压的特性，有利于提高控制系统的稳定性。

上面介绍的电流环控制方法实际上使电感电流的开关周期的平均值跟踪正弦波参考电流i_ref，通常称为电流平均值控制。图3-16所示为采用电流平均值控制方法时的框图和电感电流波形。此外，电流环也可以采用其他控制方法，图3-17所示为电流滞环控制框图和电感电流波形，图3-18所示为电流峰值控制框图和电感电流波形。与电流平均值控制相比，滞环控制和电流峰值控制都具有更快的动态响应。然而，滞环控制存在开关频率不固定的问题，而电流峰值控制在占空比大于0.5时存在不稳定问题，因此需要采取其他措施解决，以满足实际的应用的要求。

图3-16 电流平均值控制的框图和电感电流波形

图3-17 电流滞环控制的框图和电感电流波形

图3-18 电流峰值控制的框图和电感电流波形