PFC双闭环控制仿真

1 PFC电路介绍

    PFC就是功率因数矫正(Power Factor Correct)的意思，就是要让输入电流尽量跟踪输入电压。UPS电源中典型的单相PFC电路如下图所示。PFC的目的就是让输入电流Is的相位跟踪输入电压Vs。理想的功率因数是1，优良的PFC电源在满载时功率因数能达到0.99以上。PFC电路包括一个典型的Boost电路。

    BOOST电路遵守伏秒平衡，当IGBT打开的时候，设占空比为d，则有：

   

即有：

其中

    Vin：L左端电压，即经过整流桥后的直流电压

    Vo：输出电压

2 控制系统设计

•     系统控制图

如图，采样电感电压Vi，电感电流Vi，输出电压Vo,它们和直流电压Vo的参考输入360V一起作为控制器的输入。控制器的输出Yout作为发波模块的输入，发波模块输出Pwm信号直接去驱动IGBT。

电路参数：

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       滤波电感 L：550uH

        滞留电容C：4410 uF

        输出电阻：12欧姆

        输出功率：10kW

        采样周期Ts:    52us

• 双闭环控制结构

    电压环Kp:    0.1

    电压环Ki:     50*Ts

    电流环Kp:    20

    电流环Ki:      100*Ts  

    采样量都扩大了10倍。发波PWM周期值是2604。

•   占空比前馈

    控制器的上部分是占空比前馈。PFC电路典型的控制结构是用电压外环电流内环。此外，由于占空比有一下关系式：

    

所以可以先设置一个占空比前馈，前馈就是(Vo-Vin)/Vo。设置反馈前馈，可以加快控制器的相应速度，减小控制超调，增加控制系统的稳定性。前馈原理就像1000米跑步，有人从起跑线跑步，跑到终点要1000米跑完都脚抽筋；有人有特权却从800米处开跑，跑到终点只用跑200米，相比前者跑得又快又轻松。

• 电流参考输入

    电流环的电流参考输入I*=Vout*Vin/V

    其中Vout是电压环的输出，作为电流参考的幅值。Vin是输入电压采样，V是输入电压有效值，Vin/V就是输入电压的相位。这样可以保证输入电流和输入电压同相位，从而获得高功率因数。

PWM发波模块

    PWM发波模块就是一个控制器的输入和三角波做一个减法，结果在输入一个Relay模块从而得到-1到1之间的脉冲。

3 仿真结果

• Scope1的结果，输出电压波形，黄色的线是360V的参考输入，蓝色是输出电压：

直流电压波动部分放大看，可以看到波动幅值10V，波动频率100Hz。这是由于输入电压整流后变成100Hz的缘故。

• 输入电压和输入电流，这是Scope3的结果，黄色是电压，蓝色电流

• PWM占空比波形，是Scope2的结果。是比较经典的倒马鞍形。

4 结论

    这种PFC控制方法可行。在实际中如果是单相输入单相输出，母线电压会呈现正弦波动，如果是三相输入三相输出，则母线电压会比较平滑。