電力電子中的Boost電路實現PFC功能-介紹與模擬
今天也是個自習的日子。
翻了些資料,覺得自己也是落後了。最新的單級PFC(Power Factor Compensation)有Boost-Flyback、Boost-Forward、Buck-Flyback變流器。和傳統的PFC變流器+DCDC對比,單級PFC換流器的優點是減少了元器件,缺點是輸出電壓不能精確控制。畢竟是PFC優先的變流器,重點是實現Power Factor 補償。
補習了一下基於Boost電路的PFC。
1、電路的拓撲結構
電路中,D1-D4四個二極體組成了不可控橋式整流。電感L1、MOS管Q1、和二極體D5構成了最常用的DC-DC之一:Boost電路。電容C1是濾波電容。設交流電源AC經過不可控整流後,得到了直流電壓為Vrect。
當Q1導通,電感L1通過交流電源進行儲能;當Q1關斷,電感L1和電源同時為負載進行供電。
L1=470uH,C1=4700uF,交流電壓Vac有效值110V,頻率60Hz。
2、控制策略以及模擬波形
2.1 電壓單環控制:
先提提PID的傳遞函式:
記得Kp的作用是增加響應速度;
Ki的作用是穩定輸出,讓Vout 跟蹤Vref;
Kd的作用是控制振盪的幅度。
引數如下:Vref = 280V,只想要把DCDC的輸出電壓控制成280V;
PID引數:P=1;I=0.6;D=0即
生成PWM波,也是用100KHz的載波和調製波進行比較,調製波大於載波時,模組輸出1控制MOS管Q1導通;當調製波小於載波時,模組輸出0控制MOS管Q1關斷。
在軟體上搭建了模擬。
電氣主迴路:
控制迴路:
輸出電流和電壓模擬波形如下(上圖是電流,下圖是電壓,負載是100R電阻,因此電壓是電流的100倍。):
以下是變流器的交流側波形(上面是電壓,下面是電流),可以見到,電流已經和正弦波相差甚遠。這是功率因素Power Factor低下的表現。
因此,下一步是增加PFC控制。
2.2 PFC控制策略
PFC控制策略圖中,目的是為了控制交流側電流和交流側電壓達到相位上的一致,同時波形畸變不明顯。可以通過採集電感電流Irect,控制電感電流為理想的經過整流後的波形。
詳細理論不說了……我也是半桶水。主要是記錄下波形,讓自己下次開啟這文章時能回想到整個過程。
除錯過程中,注意的是,這是一個雙環的控制迴路。需要先除錯電流內環。
除錯電流內環時候,要先把電壓外環取消。控制策略如下圖:
這裡的Iref,主要是增加了整流橋的直流側電壓Vrect的相位資訊。讓MOS管的佔空比和電壓Vrect的波形看起來一致。
除錯PID控制器的主要過程如下:這裡先不用Kd。置Ki=0;先調Kp,除錯時,可以分別讓Kp=0.1、1、10、100、1000這樣,觀察系統的響應曲線,在這裡就是電壓波形。
電流內環的PI引數:Kp=100, Ki=10。這樣,引數有點大,但跟蹤效果還可以。
觀察以下的輸出電流、輸出電壓波形,因為控制目標是Irect,因此輸出電壓不是想要的。
觀察輸入交流側的電壓(下圖上方波形)和電流波形(下圖下方波形):
已經是理想的波形了。
隨後加上電壓外環,因為以前用過根軌跡分析過Boost電路的傳遞函式,控制變數為MOS管Q1的佔空比、輸出變數為輸出電壓Vout,這是一個不穩定的系統,某個極點或者是零點落於正半平面。但是假如輸出變數為電流時,則極點和零點都不在根軌跡圖的正半平面,因此控制輸出電壓增加了難度。
電壓外環的引數,因為上文已經調好了,就直接用上述的引數,把系統搭建起來。綜合電壓外環和電流內環。
最終:交流電壓和電流的波形
輸出電流和輸出電壓的波形:
但是輸出電壓已經明顯不是參考電壓280V了。說明系統對參考電壓的跟蹤效果變差,而優先讓交流電流跟蹤交流電壓了。
想模擬flyback但是這軟體的變壓器的引數不好配置。
這是電力電子的Boost而不是開源軟體中的boost……上網搜了電氣工程也算屬於IT,因為是IT硬體中的電源部分。即在這裡發表了。