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第４９卷第１１期电力电子技术Ｖｏｌ．４９，Ｎｏ．ｌｌ２０１５年１１月ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＮｏｖ．２０１５占空比前馈在ＶＩＥＮＮＡ整流器中的应用研究冯晓培，李志忠（广东工业大学，信息工程学院，广东广州５１０００６）摘要：在ＶｆｆｉＮＮＡ整流器平均电流模式控制中，为了解决电流过零交越失真的问题，提出了增加占空比前馈的改进型控制方法。在详细介绍ＶＩＥＮＮＡ整流器数字控制策略的基础上，分析了环路控制方案。通过Ｍａｔｌａｂ仿真，验证了此方法的可行性。以ＴＭＳ３２０Ｆ２８０３５作为控制核心，构建了一台１０ｋＷ的ＶＩＥＮＮＡ整流器实验样机，实验结果表明，该改进型的控制方法改善了输入电流波形，提高了系统性能。关键词：整流器；占空比前馈；有源功率因数校正中图分类号：ＴＭ４６１文献标识码：Ａ文章编号：１０００－１００Ｘ（２０１５）ｌｌ－００４７－０４ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎＤｕｔｙ－ｒａｔｉｏＦｅｅｄｆｏｒｗａｒｄｆｏｒＶＩＥＮＮＡＲｅｃｔｉｆｉｅｒＦＥＮＧＸｉａｏ－ｐｅｉ，ＬＩＺｈｉ－ｚｈｏｎｇ｛ＧｕａｎｇｄｏｎｇＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙｆＧｕａｎｇｚｈｏｕ５１０００６，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｚｅｒｏｃｒｏｓｓｉｎｇｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎｐｒｏｂｌｅｍｉｎＶＩＥＮＮＡｒｅｃｔｉｆｉｅｒａｖｅｒａｇｅｃｕｒｒｅｎｔｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌ，ａｎｉｍｐｒｏｖｅｄｃｏｎｔｒｏｌｍｅｔｈｏｄｂａｓｅｄｏｎｄｕｔｙ－ｒａｔｉｏ－ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｎｄｅｔａｉｌ，ｏｎｔｈｅｂａｓｉｓｏｆｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌｓｔｒａｔｅｇｙｏｆＶＩＥＮＮＡｒｅｃｔｉｆｉｅｒ，ｃｏｎｔｒｏｌｐｒｏｐｏｓａｌｏｆｔｈｅｌｏｏｐｉｓａｎａｌｙｚｅｄ．ＴｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓｍｅｔｈｏｄｉｓｉｎｉｔｉａｌｌｙｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙＭａｔｌａｂｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ａ１０ｋＷｃｏｎｖｅｒｔｅｒｗｉｔｈＴＭＳ３２０Ｆ２８０３５ａｓｃｏｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｉｓｒｅａｌｉｚｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｍｐｒｏｖｅｄａｖｅｒａｇｅｃｕｒｒｅｎｔｍｏｄｅｃｏｎｔｒｏｌｃａｎｉｍｐｒｏｖｅｔｈｅｉｎｐｕｔｃｕｒｒｅｎｔｗａｖｅｆｏｒｍａｎｄｔｈｅｐｅｒ？ｆｏｒｍａｎｃｅｏｆｔｈｅｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｒｅｃｔｉｆｉｅｒ；ｄｕｔｙ－ｒａｔｉｏ－ｆｅｅｄｆｏｒｗａｒｄ；ａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎＦｏｕｎｄａｔｉｏｎＰｒｏｊｅｃｔ：ＳｕｐｐｏｒｔｅｄｂｙＧｕａｎｇｄｏｎｇＰｒｏｖｉｎｃｉａｌＮｅｗＥｎｅｒｇｙＡｕｔｏｍｏｂｉｌｅＳｐｅｃｉａｌＰｒｏｊｅｃｔ（Ｎｏ．ｌ１０１０５７５２０２０１９０）；ＤｏｎｇｇｕａｎＳ＆ＴＰｌａｎｅｄＰｒｏｊｅｃｔｓ（Ｎｏ．２０１２１０８１０２０５２）ｌ引言电感电流过零交越失真的问题，在此提出了在传随着电力电子技术的进步，对电能质量的ｇ电出士求越来越高。ＶＩＥＮＮＡ整流器由于具有开关电Ｅ验验证了改进里平均应力小、开关信号少、电流畸变率低、电感电流自续、电压不平衡及缺相条件下仍可运行等优点２ＶＩＥＮＮＡ整流器的数字控制策略在输出高压大功輔流器中得到广泛应用。根据功率因数校正定义可知，要实现单位功在传统平均电流模式控制中，疆腿整流率因数校正，则有输入电流ｋ＇为输入电器基本上能够实现输入电流跟踪输入电压。但输压；心为整流器的单相等效电导。可令输入电流入电＾相对滞后输入电臟小角度，导致功率ｍ＿考信号一义，若通过闭环控制，使匕的周数不高；同时，由于ｐｉ控制器并不能很好地跟踪期平均值与。在每个控制周期大小相等，可实现正弦参考指令信号，使得输入电流出现局部振胃功率因数校正的目的。要实现对ＶＩＥＮＮＡ的控或不连续的现象。特别是在输入电压高、输士电流制，需检测三雛入电压ｗ，％，“。，三相输入电流小的情况下，电感电流不连续现象会持续较长时４，４乂及直流母线输出电压心。此处，ｔ的计算，间，产生严重的电流过零交越失真问题。为了解决＿＿是让三相输入电压Ｕａ，Ｕｂ，ｗ。直接参与计算，而是通过三相数字锁相环（ＰＬＬ）计算得到等效三基金项目：广东省新能源汽车专项（１１０１０５７５２０２０１９０）；东相输入电压。整个控制由电压外环和电流内环组菱市科技计划领目（２０１２１０８１０２０５２）成，其中，电压外环控制器ＧＶＡ（ｓ）的输出为Ｇｅ，将定稿曰期：２０１５－０３－０３其乘以二相数字锁相环计算得到的等效输入电作者简介：冯晓培（１９８９－），女，河南郑州人，硕士研究生，压，得到三相电流内环的参考信号＾ｒｅｆ（ａｂｃ）＞＾ｒｒｆ（ａｂｃ）研究方向为电力电子与电力传动。各相实际输入电流比较，得到的差值、糾经过电４７第４９卷第１１期电力电子技术Ｖｏｌ．４９，Ｎｏ．ｌｌ２０１５年１１月ＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＮｏｖ．２０１５流控制器Ｇｃａ（ｓ）控制，其输出与固定频率锯齿波电感电流的下降斜率不能超过锯齿波的上升斜信号比较，得到ＰＷＭ控制信号，整个控制策略框率。开关管关断期间，电感电流下降斜率为：（仏／图如图１所示＇２－ｕｔｏ）／Ｌ，当知＝０时，下降斜率最大为（仏／２）从，ｒｒｒｉ—Ｔ—电感电流下降斜率乘以采样电阻艮和电流补偿ＶＤ｜ＶＤ：ＶＩ＞，Ａ￡ｉＺＳ２Ｓ２５＾＾网络增益Ｃｃａ，得到ＰＷＭ比较器其中一端的输入￣ｊｃ，Ｗｃａ，ＰＷＭ比较器另一端的输入为锯齿波，斜率为ｉｇＬ＾ｌ—〇Ｌ，ｔ／ｓ／ｓ，ｔ／ｓ为锯齿波的幅值，／ｓ为开关频率，可得到：又ｈｒ＾ｎｉｈｉｃｊ（ＵＪ２）ＲｓＧｕ／Ｌ＾Ｕｓｆａ（２）＿＿Ｇ〇＾（ｓ）＝ｕｕ（ｓ）／ｕＲｓ（ｓ）＝２ＵｓｆＪＬ／（ＵＪｉｓ）（３），ａ１而从电流控制器输出《ＣＡ到艮两端电压％ｋ＿＿？ｃｒ的传递函数为：ｈＤＰＬＬＧ＾ｕＭ／ｕ＾＾ＲｍＵＪｉＴｓＬ）（４）１＾将式（３）与式（４）相乘，得到整个电流环增益图１ＶＩＥＮＮＡ整流结构框图Ｃｌｏｏｐ，￥Ｇｗ＝ｌ，得到电流环的剪切频率／ｃ：Ｆｉｇ．１ＢｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍｏｆＶＩＥＮＮＡｒｅｃｔｉｆｉｅｒｒｊｊ＾２Ｕ／Ｊ＾Ｃ｜，ｘ＂，＝Ｔｔ＇４＾ｒ＇ｕａｒｓ＝１（５）３环路控制策略的设计在电流控制器最大增益处，乂固定在乂／（２幻。对于积分型控制对象，设计时要求：①电流补偿网３．１平均电流模式控制环路设计络在／ｃ￣／ｓ范围内，补偿网络的增益近似＇旦等于在电流内环控制中，要实现对的控制，ＨＴ收．．．亦姚别１＝１斗似样玄ＴＡａｉ科ＪＭ，即幅频特性在中频段具有一个平坦的特性；可将ｔａ，ｆｂＡ变换到同步坐标系下，分别对同ｕ，ｕ／、曰，，，、，，＝＋步电流采用闭环控制。虽然这种方法可以＊现无差调节，但必须进行多次坐标变换，程序繁琐。为实现在ｔｌ，６，ｃ坐标系下对Ｈｉ。的控制，力：可将三相输入电压的中线Ｎ与输出电容的中点０Ｃｃａ⑴（６）相连，构成四线制，中线的存在实现了三相物理解式中：尺为电流控制器的最大增益；％为补偿网络的零点稱［４１，系统可等效为３路并联的单相三电平结构，角频率；为补偿网络的极点角频率。要实现三相功率因数校正，只需分别对ａ，ｂ，ｃ三如果补偿网络在中频段有一个平坦的增益特相执行独立控制即可＇其中一相的控制框图如性，那么在，处系统的相角裕量是９０。，多于工程图２所示。上通常要求的３０。￣６０。之间。在设计补偿中可令＾￣－Ｔ－￣￣｜１零点频率／＾／Ａ，以减小相位滞后；令极点频率丄ｒ＾｜ＶＤｌ［＾ｉＴｃ＇Ｌｌ４＝３／。，以抑制开关频率及寄生参数等引起振荡的Ａｃｆｋ｜＾ｖｄ２ｒ＾ｆ￣￣＼ｃ２｜＇高频干扰。整个电流环的开环波特图，补偿网络的Ｌ＿＇｜＜］＿＿＾增益及主电路电流增益如图３所示。ａＰＷＭ叫？ｌｌｌｌ图２单相ＶＩＥＮＮＡ框图一＿』孑：｜運｜丨二：｜Ｆｉｇ．２ＶＩＥＥＮＡｓｉｎｇｌｅ－ｐｈａｓｅｂｌｏｃｋｄｉａｇｒａｍＩ０２Ｉ０３１０４ＩＯ５１０６在电流连续模式（ＣＣＭ）下，输入电流对占空师比的传递函数为：图３主电路控制环路及整个环路开环波特图ｇｉｄ（５）＝ｆ（ｓ）ＺＪ（ｓ）＝［／＆／（）（１）Ｆｉｇ．３ＭａｉｎｃｉｒｃｕｉｔｃｏｎｔｒｏｌａｎｄｅｎｔｉｒｅｏｐｅｎｌｏｏｐＢｏｄｅｄｉａｇｒａｍ为避免在开关管关断期间，电流补偿网络输３．２改进型平均电流模式环路设计出电压波形不与锯齿波相交导致的次谐波瞬态不为便于分析，先作如下假设：①电路己达稳稳定问题，在设计补偿网络中，必须要求被放大的态，电感工作在ＣＣＭ；②＆及％在一个周期内保４８占空比前馈在ＶＩＥＮＮＡ整流器中的应用研究持恒定，上、下两电容Ｃ，，Ｃ２两端电压相等且为由图５可知，该波形为０￣４０ｍｓ两个工频周期仏的一半；③所有器件均视为理想器件。当电感的启动过程，由于没有设定软启动，刚开始输入电工作于ＣＣＭ时，在一个开关周期内，开关管Ｖ两流波动很大，属于正常现象，经过两个工频周期，输端周期平均电压为：入电流能很好地跟踪输入电压，电路进入稳态。＜ｕ＞＝＼Ｕ６ｃ｛Ｘ￣Ｄａ）／２＇Ｕｍ＾°（７）５实验验证ｌ－Ｕ＾ｌ－ＤＪ／２，＾？＜０实际电路中，丨，故＜？＞？＝〇，设计了一台三相输入线电压３８０Ｖ／５０Ｈｚ，额且相位差很小。而＜知＞与知在一个周期内近似，定输出７〇〇Ｖ／１０ｋＷ的实验样机。功率ＭＯＳＦＥＴ结合式（７）可知电感工作于ＣＣＭ下前馈占空比为：采用ＩＸＦＫ６４Ｎ６０Ｐ，快恢复二极管采用ＤＳＥＩ６０－１２，Ｄ，＝＼－２＼ｕ－ｍ＼ＩＵ．（８）主控芯片为ＴＭＳ３２０Ｆ２８０３５型定点ＤＳＰ。基于平均电流模式控制的占空比前馈改进型在输入相电压有效值为２２０Ｖ，输出直流电压控制策略结构框图如图４所示，整个控制器由两部７００Ｖ，负载电阻分别在１０００，７００，５００，即输￥分组成，一部分是由传统平均电流模式控制组成功率分别在５１＾＼＾，７１４贾，１０１４＼＾下，得到图６所示的反馈控制通道；另－部分是由计算得出的占＃统平均电流模式控制和改进型平均电流模式控空比前馈控制通道。加入占空比前馈后，Ｇｃａ⑴仅制的实验波形。由图可知，在不同输出功率等级需补偿理想的开关平均电压？与前馈顯贿下，输人电流能臟输人电压变化，且为正弦，相关平均电压＜仏间的差值，而不是补偿整个理想、ｔ匕于传统平均电流模式控制，改进型平均电流模式的：平说由控制输入波形得到改善，在半载时，输入波形有明廳善，输人■波形能实现平滑过渡。＇Ｕｉｃ，＾Ｕｉｃ／２Ｙ＾ｒｉ＾ｊ－ｗＣ：ｉ＼／－ｉ，＿，！，／（ＩＯｍｓ／格）＂（１０ｍｓ／格）＼Ｔ］！（ａ）５ｋＷ时传统平均电流模式控制（ｂ）５ｋＷ时改进平均电流模式控制１图４改进型平均电麵式控制结构框图言｜Ｆｉｇ．４Ｉｍｐｒｏｖｅａｖｅｒａｇｅｃｕｒｒ