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图腾柱功率因数校正器的二自由度控制分析.pdf
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1、第 2 7 卷第 0 4期变频器世界2 0 2 4年0 4月图腾柱功率因数校正器的二自由度控制分析Analysis of Two-Degree-of-Freedom Control over Power Factor Corrector高煜寒(GaoYuhan),焦伟(JiaoWei)2*,严伟(YanWei),李煌(LiHuang)”,吴双(WuShuang),杨喜军(YangXijun)21.中电科技集团重庆声光电有限公司系统工程部,重庆,40 0 0 6 02.上海交通大学电气工程系,上海,2 0 0 2 403.北京大学软件与微电子学院,北京,10 0 8 7 1摘要:TPFC一般采用
2、一自由度输出电压控制,在负载变化时输出电压动态特性较差,且启动过程存在明显超调。本文在推导TPFC双闭环控制结构基础上,引用了负载电流前馈控制和输出电压反馈补偿控制,构成两种二自由度(2 DOF)控制结构。仿真分析表明,负载电流前馈型2 DOF控制可以有效抑制负载变化引起的输出电压波动,但启动过程超调明显;输出电压反馈补偿型2 DOF控制可以实现输出电压无超调启动,但是抑制负载变化的能力较差;综合负载电流前馈型和输出电压反馈补偿型的2 DOF控制获得满意的输出电压控制效果,表现为启动过程无超调和变载过程无波动。关键词:TPFC二自由度控制;负载电流前馈控制;输出电压反馈补偿控制Abstract
3、:Totem pole PFC(TPFC)generally adopts one-degree-of-freedom output voltage control.When the load changes,the dynamic characteristics of output voltage are poor,and there is obvious overshoot during the starting process.Basedon the derivation of the double closed-loop control structure of TPFC,this p
4、aper introduces the load current feedforwardcontrol and output voltage feedback compensation control to form two two-degree-of-freedom(2DOF)control structures.The simulation results show that the load current feedforward 2DoF control can effectively suppress the outputvoltage fluctuation caused by l
5、oad change,but the overshoot is obvious during start-up.The output voltage feedbackcompensation 2DoF control can realize the start without output voltage overshoot,but the ability to suppress loadchange is poor.The 2DOF control combining load current feedforward type and output voltage feedback comp
6、ensationtype obtains satisfactory output voltage control effect,which is that there is no overshoot in the starting process and nofluctuation in the load changing process.Keywords:Totem pole power factor corrector;Two-degree-of-freedom control;Load current feedforward control;Outputvoltage feedback
7、compensation control【中图分类号】U223.6+3【文献标识码】B【文章编号】156 1-0 3 3 0(2 0 2 4)0 4-0 0 6 5-0 51引言从拓扑角度看,图腾柱功率因数校正器(TPFC)类似于单相PWM整流器。TPFC是一种功率开关置于桥中的PFC,即一种无桥PFC,其高频斩波桥臂采用GaNFET,工频斩波桥臂采用SiCMOSFET,因而TPFC具有很高的变换效率,高达98.8%l-2。与其它PFC一样,TPFC主要应用电感电流跟随电网电压的跟随控制原理、追求输入侧为纯阻性的单周期控制原理等,采用电压外环和电流内环的双闭环控制结构,电流内环一般设计成小惯性
8、环节,一般地,其时间常数小于1/2 开关周期 3-5。TPFC一般后接DC-DC变换器或三相电压源逆变器,其输出电流为脉冲序列,稳态运行时输出电流平均值为常数。在负载变化情况下,负载电流首先改变,然后输出电压随之变化,紧接着电压外环输出相应变化调节输出电压的控制量,电流内环调节电感电流的控制量,形成驱动脉冲驱动TPFC运行,输出电压跟随参考电压,电感电流跟随电流内环的给定电流。当负载恒定时,输出电压能很好地跟随给定值;然而当负载变化时,输出电压也会随之波动,经过一段时间才能回到稳态。只有一个电压调节器来控制输出电压的系统,其动态特性很差,此时可以采用二自由度控制(Two-degree-of-F
9、reedom,2DOF)来抑制负载变化引起的电压波动,提高系统的动态特性 6-8。二自由度控制可以使得TPFC获得良好的电压跟WWW.CA168.COM65综述SURVEYLECTURE随控制和干扰抑制性能,它包括PID控制、时滞系统、H。理论以及智能控制的2 DOF控制方法。按照控制器在控制结构中位置,2 DOF控制又可分为参考值滤波器型、参考值前馈型控制结构、反馈补偿型、回馈补偿型等典型结构 9-10。本文在采用电压控制器实现对输出电压跟随性能的基础上,设计负载电流前馈型和输出电压反馈补偿型的2 DOF控制,以此获得满意的输出电压控制效果,进行了理论分析和仿真验证 I-1。2.TPFC二自
10、由度控制器设计2.1TPFC的调制原理简述TPFC功率电路如图1所示,图中,S1与S2为GaNFET,处于高频互补斩波状态。S3与S4为SiCMOSFET,处于工频互补斩波状态。与传统有桥APFC不同,TPFC需要隔离型或高输入阻抗的网压检测电路和网流检测电路。S1心L1LicluiCiTPFC控制结构如图2 所示,图中采用了传统的双闭环控制结构。TPFC具有不同的调制算法,主要区别在于GaNFET桥臂驱动信号与MOSFET桥臂驱动信号产生的方法不同。i心滤波器放大器kiLlS2S1PWMPWMPWMPWM小小比较器2PI调节器方法1:电感电流PWM控制。对于GaNFET桥66THEWORLD
11、OFINVERTERS臂,将电流内环PI调节器输出信号与三角载波进行比较,得到S2的驱动脉冲,求补后得到S1的驱动脉冲。对于MOSFET桥臂,S3与S4始终关断,用作二极管。方法2:电感电流PWM控制。在正半周中,将电流内环PI调节器输出信号与三角载波进行比较,得到S2的驱动脉冲,S1关断,S3关断,S4导通。在负半周中,将电流内环PI调节器输出信号与三角载波进行比较,得到S1的驱动脉冲,S2关断,S3导通,S4关断。方法3:电感电流滞环控制。对于GaNFET桥臂,将电流内环PI调节器输出信号与三角载波进行比较,得到S2的驱动脉冲,求补后得到S1的驱动脉冲。正半周中S4导通和S3关断,负半周中
12、S3导通和S4关断。2.2TPFC控制模型根据图2,可以得到TPFC控制模型,如图3(a)所示,图中蓝色部分代表电流内环,黑色部分代表电压外环。mlul网压绝对值电压调节器DCPideS3C2S2.-S4DCN图1TPFC功率电路ui滤波器RMSUi,RMS.S41/UiRMS2PLLS2M图2 TPFC的双闭环控制结构电流调节器PWM调制器iVref给定电压ic2Riuo滤波器Uref3PI调节器uvlo32乘法器4电感环节G(s)Vetrl电压电压偏差环控给定制量Ve电压Hv(S)反馈uoVref电压给定Vref十电压给定图3 中,G(s)为电压调节器,可以采用电压误差放大器和II类补偿器
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