基于直接电流控制的并联型PFC变换器研究

摘要：提出了并联型功率因数校正(PFC)的概念，揭示了基于直接电流控制的并联型有源电力滤波器(APF)和传统PFC技术的内在联系。并联型PFC兼具并联型APF和传统PFC的优点，即只需处理谐波和无功功率，装置容量小，效率高，且无需计算谐波及无功电流，就能实现单位PFC，且控制简单。在此详细分析了并联型PFC变换器的工作原理，建立了系统的小信号模型，并对系统参数进行优化，最后通过1 kW，20 kHz的原理样机验证了并联型PFC系统具有良好的谐波补偿效果和PFC性能。
关键词：功率因数校正；有源电力滤波器；直接电流控制；谐波补偿

1 引言
随着电力电子装置的大量应用，电力系统中谐波污染问题日益严重。PFC技术和APF作为抑制入网电流谐波的有效手段得到了广泛研究。
文献提出了APF的直接电流控制方法，该方案的实质为并联型PFC意即将并联APF的拓扑与PFC的控制策略相结合，使输入端电流的波形跟踪输入正弦电压波形，实现单位PFC。
此处详细分析了基于直接电流控制的并联型PFC变换器工作原理，提出了变换器直流侧稳压、网侧电流跟踪电压波形的电压电流双闭环控制方案，并建立了系统的小信号模型。在此基础上，对系统参数进行了优化设计，改善了系统的补偿性能，并通过一台1 kW，20 kHz的原理样机验证了参数设计的合理性。

2 并联型PFC的工作原理及控制方案
单相并联型PFC变换器的基本拓扑结构为单相全桥逆变器，如图1中虚线框1所示。逆变器通过滤波电感L与单相电网相连，直流侧接C，电容电压Udc在一个开关周期内可视作恒定。
交流输出侧接电感有两个作用：①保证电流可控，逆变器交流侧为等效电压，并联型PFC输出为受控电流，所以电感起到控制量转换的作用；②作为一阶低通滤波器滤除开关谐波。直流侧电容作用在于：缓冲逆变器直流侧与交流侧间的能量交换，稳定直流侧电压，抑制直流侧谐波电压。

图1中虚线框2为谐波源负载，其iL中含有基波电流和谐波电流。设基波电流的有功分量为iLf，基波电流的无功分量及谐波电流之和为iLh。并联型PFC的控制目标是控制电源电流跟踪电源电压波形，实现单位PFC。若直接控制电源电流is为iLf，则逆变器输出的电流ic即为iLh。

并联型PFC系统采用电压、电流双闭环控制，控制框图如图2所示。采样逆变桥的直流侧电压Udc与基准值Uref比较送入电压控制器，输出电源电流的指令电流幅值，采样电源电压us得到与其同频同相的单位幅值正弦信号S，将S与相乘作为电源电流的指令信号，与实际电流比较经电流控制器后作为调制信号，和三角波交截产生SPWM开关控制信号。逆变器的开关控制策略采用单极倍频SPWM技术。