一种适合于航空电网的单周期控制功率因数校正技术.PDF

126 2014.12·磁性元件与电源 传统的交流供电设备输入端采用如图1所示的AC-DC 电路，该电路具有结构简单成本低的优点，但其输入电流 波形畸变大，功率因数低 (0.6~0.7)，污染电网严重时会影 响电网稳定性，随着航空系统用电设备的增多，航空电网 中的谐波电流也越来越大，对航空系统用电设备提出了功 率因数的要求（美国航空无线电技术委员会于 1997 年提出 了民用飞机的标准 RTCADO-160D）。在输入端采用无源 元件也可以解决输入电流畸变问题，使输入功率因数达到 0.95，但是同时带来整流后直流电压变换范围加大，影响 后级电路有效工作。随着电力电子技术的发展，高功率因 数的有源 PFC 技术将得到广泛应用。它由前级的AC-DC 和后级的 DC-DC 组成。其前级主要是实现输入电流的整 形，一般采用输入整流桥后接一个 Boost 变换器来实现， 输出电压预稳定在某一值，给后级DC-DC 实现最后隔离 稳压提供了良好条件 [1]。 有源 PFC 技术就控制方式而言，大多数采用平均电流 控制来达到功率因数校正的目的，但平均电流控制中需要 检测输入电压、电感电流、输出电压，并且需要使用乘法 器来实现，使得系统控制复杂，投资增加。单周期控制是 一种不需要乘法器的新颖控制方法，它同时具有调制和控 制的双重性，该技术的突出特点是：无论是稳态还是暂态， 它都能保持受控量的平均值恰好等于或正比于控制参考信 号，具有动态响应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实 现等优点 [2]。本文将采用单周期控制技术，研究一种适应 于航空电网的高功率因数 PFC 变换器。 为了进行稳态特性分析，简化推导过程，不妨先作以 下假定： (1) 电感电流的纹波可以忽略，电路运行在 CCM模式； (2) 开关频率远大于电源电压频率，输入电压、电流在 几个连续的开关周期内可以近似认为是恒值，电路运行在 一种适合于航空电网的单周期控制 功率因数校正技术 The Single Cycle controling PFC Technique Used to Airborne Electried net 刘磊，朱锋，龚春英 南京航空航天大学 南京 210016 摘 要：本文研究了一种适合于航空电网的高功率因数校正技术，与以往采用的乘法器控制方法不同的是，该变换器采 用新型的单周期控制技术。文中分析了该校正技术的工作原理，仿真和实验结果证明了在输入电源频率较高的 航空电网中，单周期控制 Boost PFC 变换器具有良好的性能。 叙 词：单周期控制，功率因数校正，Boost 变换器，航空电网 中图分类号：TM6 文献标识码：B 文章编号：1606-7517(2014)12-5-126 图 1 传统交流供电设备 AC-DC电路 2014.12 127·磁性元件与电源 准稳态； (3) 推导过程中忽略开关器件的导通压降和开关损耗， 忽略分布参数的影响，不考虑能量损耗。图 2即为单周期 控制 PFC 变换器的原理图。 RsiL=vm/M(d)=vmvg/Vo=vm(1-d) (6) 这就是单周期控制 Boost PFC 变换器的控制方程。由 假设①，电感平均电流 iL 可以近似认为等于电感瞬时电流 iL，有： RsiL=vm/M(d)=vmvg/Vo=vm(1-d) (7) 因此，可以通过一个简单的电流瞬时采样电路来代替 平均电流采样电路，一般只需要通过一个检测电阻来实现， 为了降低电流检测损耗，也可用电流互感器来实现。 单周期控制的核心是复位积分器电路，在时间 t(t≤ Ts，Ts 为一个开关周期 )内，积分器对输入电压 vi 积分， 输出为 t/Tsvi。由此可以推出 一种单周期控制的通用 PWM调制器模型 [4]，如图 4 所示。 该模型由一个固定频率的时钟发生器，一个 RS 触发 器，一个比较器和 n(n=l,2,3?) 个带复位功能的积分器组成， 图 2 单周期控制 PFC变换器原理图 PFC电路的控制目标是控制DC-DC变换器的输入电流 ig 与输入电压 vg 成比例，从而使得输入阻抗为纯电阻性。即： ig=vg/Re (1) 其中，ig 为 DC-DC 变换器输入电流平均值，可以通过调 制占空比 d来控制，Re 为输入等效电阻。 在准稳态下，占空比控制信号由 vm 和电流采样信号经 PWM调制器调制而成，有 [3] ： Rsig=vm/M(d) (2) 其中，Rs 为电流采样电阻，M(d) 为 DC-DC变换器的电压