基于模糊PI控制的单相无桥PFC的研究

黄健全，李世军，杨亚超

(1.湘南学院 电子信息与电气工程学院,郴州 423000；2.湖南工程学院 电气信息学院,湘潭 411104；3.湖南工程学院 风力发电机组及控制湖南省重点实验室，湘潭 411104)



基于模糊PI控制的单相无桥PFC的研究

黄健全1，李世军2，3，杨亚超2

(1.湘南学院 电子信息与电气工程学院,郴州 423000；2.湖南工程学院 电气信息学院,湘潭 411104；3.湖南工程学院 风力发电机组及控制湖南省重点实验室，湘潭 411104)

研究了基于模糊PI控制的单相无桥功率因数校正变换器(PFC)，分析了其工作原理和控制方法.根据实际工程经验提出了将参数自适应调整的模糊PI代替传统的PI作为双闭环控制，模糊PI控制的PFC能够工作在较宽的负载变化和输入电压的范围内，响应速度快，精度更高.同时，给出了PFC的设计参数.实验结果在一台3.8 kW的样机上得到验证，证明了基于模糊PI控制的单相无桥PFC性能较传统PI控制更优越.

模糊PI;双闭环;乘法器;功率因数校正

0 引言

功率因数是衡量电气设备性能的一项重要指标.随着电气设备的日益普及，给电网带来了严重的谐波污染问题.随IEC61000-3-2国际标准颁布，PFC已成为研究的热点.且PFC已成为整流器整体设计的一部分，形成了一个独立的AC/DC整流系统.常用的Boost PFC电路控制简单，电流畸变率低，但在大功率场合，由于前级整流桥的存在，会增加导通损耗，降低效率.无桥PFC电路适合在大功率下工作，具有一定的优势.

在控制算法上，采用数字乘法器和双闭环算法，传统的PI调节器结构简单，容易实现.但是在复杂的控制系统中，尤其在双闭环中表现出滞后性和受负载变化的影响，使得PFC只能在一定的输入电压和负载变化范围内才能正常工作，因此传统PI难以满足要求.模糊PI控制可以随系统的时变而自动的整定PI参数，以达到最佳的参数，鲁棒特性好，响应速度快，在控制复杂的系统时表现出了良好的性能.在实验中达到了理想的效果.

1 工作原理

1.1 主电路拓扑

图1是无桥PFC主电路的拓扑结构[1-2]，实际应用时，为减小共模干扰，在输入电源的两端和直流地之间接入0.022 μF的电容器.

图1 无桥PFC主电路拓扑

无桥PFC变换器不需要整流电路，由输入EMI滤波器、储能电感L1L2、IGBTS1S2、二极管D1D2和输出电容组成.D3和D4是IGBT内嵌的二极管.无桥PFC组成器件少，相对Boost PFC减小了IGBT开通时电流流过功率管的数量，因此，提高了效率.

1.2 工作模式分析

无桥PFC有两个工作状态，分别是Vin正半周期和Vin负半周期.下面对这两种工作模式进行分析.

图2 Vin>0等效电路

模式1：如图2所示，当Vin>0时，由L1、L2、S1、D1、D4连接为一个等效Boost电路.当S1导通时，Vin经L1、S1、D4、L2给L1、L2充电，电感L1、L2储能；当S1断开时，那么Vin就会经L1、D1、R(负载)、D4、L2回路与电感L1、L2串联一起给负载供电，电感L1、L2释放能量.

图3 Vin<0等效电路

模式2：如图3所示，当Vin<0时，由L1、L2、S2、D2、D3连接为一个等效Boost电路.S2导通时，Vin经L2、S2、D3、L1回路给L1、L2充电，电感L1、L2储能；当S2断开时，Vin经L2、D2、R、D3、L1回路与电感L1、L2串联一起给负载供电，电感L1、L2释放能量.这样在一个周期内相当两个Boost电路交替工作.

2 控制策略

图4为模糊PI控制的原理框图.

图4 模糊PI控制框图

该模糊控制模型可以根据系统误差的大小及其误差变化率的大小自动推断适合系统的最佳比例和积分系数.比例积分系数Kp(k)和Ki(k)的计算公式如下：

(1)

(2)

其中，它们的论域按{NB、NM、NS、ZR、PS、PM、PB}7个语言变量取值.为了简便起见，误差e以及误差变化率ec的隶属函数采用三角形形式；变量的取值在论域内对称分布[3].

图5 隶属函数

设定e和ec的论域为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，设定ΔKp的论域为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，设定ΔKi的论域为{-3，-2，-1，0，1，2，3}.这样采用这种模糊PI的算法，可以避免传统的PI比例积分系数的限制，PI参数实时地调节，使控制系统响应速度更快，精度更高.模糊匹配表取值如表1和表2所示.

表1 ΔKp的模糊匹配表[4]

图6为无桥PFC基于模糊PI控制算法框图.

Vin：输入电压；Vref：指令电压；VBus：输出电压；Iin：输入电流.算法使用经典的乘法器及双闭环策略；电压环作为外环，使得直流电压稳定；电流环作为的内环，使电流波形和电压波形同频同相，功率因数近似为1.乘法器有三项因子，分别是：交流电压；外环输出；电压有效值平方的倒数.乘法器的输出如下式：

表2 ΔKi的模糊匹配表

图6 无桥PFC基于模糊PI的控制算法

(4)

i*：电流的参考信号.电流参考信号i*与反馈的电流之间产生的误差信号，经过内环控制器调节；控制器的输出值与三角波比较就会产生了PFC电路需要的驱动波形.

3 电路参数设计

(1)电感L1、L2的选取，考虑到电网按±15%范围波动，假设输入电压的范围为185～253V,输出电压400V,最大输出功率Pmax=3.8 kW, 预计效率η=95%，电路工作在电流连续模式下[5]，开关频率fs=20 kHz.那么电流的最大值为：

(5)

电流纹波系数取10%；那么电感的纹波电流为：

ΔiL=10%*iLmax

(6)

最大占空比为：

(7)

那么，电感L的取值为：

(8)

由(7)、(8)、(9)、(10)式得出L=1.48 mH,在实际中取L=1.6 mH,考虑到共模干扰，所以取L1=L2=L/2,L1、L2绕在同一个磁芯上面.

(2)电解电容C的选取，C的取值按下式：

(9)

在上式中取纹波电压ΔUo=5%Uo，ω为输入电压频率.由(11)式计算得到C≈1512 μF,在实际实验中取4个470 μF/450 V电解电容并联.

4 实验结果

在本设计中，实验参数电感量取L=2 mH使用铁硅铝材料为电感磁芯，电容C=1880 μF，直流电压输出设定为VBus=400 V，功率开关器件采用采用英飞凌F4-50R12MS4模块，以DSP28335为控制核心，内环工作频率为20 kHz，外环为50 Hz.图7所示的利用不同的控制方法输出电压的响应，由图7可见当电压环电流环采用模糊PI控制单相数字无桥PFC时，输出电压的超调量很小不到3%，然而采用传统的双闭环PI控制器时，输出电压超调量达到了11.5%左右.因此利用模糊PI算法时输出电压超调量小，电路设计裕量大，不易损坏器件.

图7 输出电压的响应曲线

图8为在一台3.8 kW样机上负载为200 Ω(轻载)和50 Ω(重载)时实验的电流波形.图8(a)的电流波形过零点畸变，并且正弦度比较差，经实测THD在18.5%左右，PF=0.96～0.98.图7(b)的电流波形较图8(a)过零点畸变明显变小，经实测电流波形THD在6.8%左右，PF>=0.99.图9为模糊PI控制时，当负载跳变时输入端电流的幅度响应，图9(a)为空载跳变为重载输入电流幅度无明显飙升，图9(b)重载跳变为轻载时电流幅度响应，证明控制环性能稳定，响应速度快.由此可见模糊PI控制的单相无桥PFC性能更优越，精度更高.

图8 电流波形对比

图9 负载跳变时输入电流幅度响应

5 结论

本文提出的基于模糊PI控制的单相无桥PFC，能够在较宽的输入电压和负载变化范围内正常工作，在此基础上制作了一台3.8 kW的样机，输入电压经调压器在185～250 V之间变化；输出电压在398.5～401 V之间波动.功率因数大于0.99，整机效率在94%以上.通过实验验证了基于模糊PI控制的单相无桥PFC响应速度快，电流谐波含量低，性能更好.

[1] 杨潮辉. Boost-PFC电路拓扑和数字控制的研究[D].哈尔滨工业大学博士学位论文，2010.6.

[2] Liu Xue Chao,Wang Zhi Hao. UCC28070 Implement Bridgeless Power Factor Correction(PFC) Pre-RegulaterDesignen[R]. LUA517-JULY 2009.

[3] 李晓秀，沈细群.无刷直流伺服系统积分自整定模糊控制器的设计[J].电机与控制应用，2006(2):38-41.

[4] 张天鸿，程利民，吴 菘. 风电机组模糊自适应整定PID控制技术的研究[J].控制工程学报，2014(S1):107-114.

[5] 王兆安，刘进军.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2012.

Research on Single-Phase Bridgeless PFC Based on Fuzzy PI Control

HUANG Jian-quan1，LI Shi-jun2，3, YANG Ya-chao2

(1. College of Electronics Information and Elect. Engineering, Xiangnan University, Chenzhou 423000, China； 2. College of Electrical & Information Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China;3. Hunan Provincial Key Laboratory of Wind Generator and Its Control, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104, China)

The single-phase bridgeless PFC is studied based on fuzzy PI control and the working principle of the inverter and control method is analyzed. According to the practical engineering experience, adaptive fuzzy PI controller is put forward to replace the traditional PI controller as a double closed-loop control. Fuzzy PI control of PFC can work in a wide load change and the input voltage range with fast response speed and higher accuracy.At the same time, the design parameters of converter are given. The experimental results on a 3.8kw prototype is verified, and it is proved that the single-phase bridgeless PFC performance based on fuzzy PI control is superior to the traditional PI control.

fuzzy PI; double closed loop; multiplier power factor correction

2016-11-20

湖南省科技计划项目(2012GK3079).

黄健全(1973-)，男，博士，副教授，研究方向：电气传动.

TS106.6

A

1671-119X(2017)02-0001-04