1 減小輸入電流諧波的方法

1．1 三電平技術(shù)

當輸入電壓過零時，輸入電流跟蹤不上基準電流的相位Φc，輸入電流與電壓之間的相位差θ是產(chǎn)生過零畸變的根本原因。為了減小Φc，需要減小L，受電流紋波的限制，必須提高系統(tǒng)的開關(guān)頻率；為了減小θ，需要減小 CZ、CP和L，這樣會提高系統(tǒng)的截止頻率，系統(tǒng)要保證穩(wěn)定也需要相應(yīng)地提高開關(guān)頻率。三電平技術(shù)在不提高開關(guān)頻率的前提下，等效開關(guān)頻率提高了2倍，并減小電感到原來的1／4，即 LTLBoost = LBoost／4，這樣可以有效減小高頻輸入時的Φc 。本文采用三電平變換器作為PFC變換器的拓撲 ，Boost三電平拓撲結(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了驗證該技術(shù)的正確性，筆者進行了實驗驗證，分別制作了一臺1 kW Boost TL和Boost PFC變換器原理樣機。實驗參數(shù)：輸入交流電壓為Uin=115Vac±10% / 400—800 Hz；輸出電壓Uo=200 V；輸出電流Io=5 A；TL Boost電感為LTLBoost =0．09 mH；Boost電感為LBoost =0．36 mH；TL Boost輸出濾波電容Cf1=Cf2=2 400μF；Boost濾波電容Cf= 2400μF；開關(guān)頻率為．fs=100 kHz。

圖2為Boost PFC變換器在輸入電壓為115 V滿載時，輸入頻率分別是400 Hz和800 Hz時的輸人電壓和電流波形。采用Boost TL PFC變換器，實驗波形如圖3所示。從圖3可知，TL PFC變換器明顯改善了輸入電流的波形，電流諧波含量減小了。

1．2 數(shù)字控制技術(shù)

針對Boost PFC變換器輸入電流過零畸變的原因，網(wǎng)絡(luò)資料一種改善PFC變換器輸入電流過零畸變的方法中提出了數(shù)字控制策略(如圖4所示)，來改善PFC輸入電流過零畸變。通過在輸入電壓過零點檢測輸入電流值，根據(jù)所檢測到的電流值來實時修正參考輸入電壓Ug( t)，直到輸入電流與輸入電壓同相位，從而減小輸入電流的波形畸變。通過編程實現(xiàn)對參考輸人電壓信號相位的控制，而不需要對主電路做任何改動。

本文應(yīng)用MATLAB的Simulink和Power-system Block工具箱對前文設(shè)計的回路與控制回路進行了仿真。輸入交流頻率為400 Hz時，Boost PFC變換器的輸入電流波形和諧波分析如圖5所示，由圖5(a)、(b)可以看出，在輸入交流頻率為400 Hz時，所提出的數(shù)字控制方法大大改善了輸入電流過零畸變，輸入電流諧波由8．74%降至3．97%，有效地減小了輸入電流諧波。

1．3 抵消超前相位導(dǎo)納技術(shù)(LPAC)Boost PFC變換器輸入電流過零畸變是由輸人電流相位超前于輸人電壓引起的，并且輸入電流相位超前是由于Y1(s)的存在，如果再并聯(lián)一個導(dǎo)納Y3(s)，(如圖6所示)使其等于-Y1(s)，那么Y(s)=Y2(s)，輸入電流與輸入電壓就同相位。為了抵消Y1(s)，在誤差信號ieer處從輸入端引入一個新的傳遞函數(shù)Hc(s)，如圖7所示。該方法的優(yōu)勢是可以利用現(xiàn)有的誤差放大器來實現(xiàn)LPAC技術(shù)。則帶LPAC技術(shù)的Boost PFC控制系統(tǒng)如圖8所示，Hc(s)是補償網(wǎng)絡(luò)的一部分，Rc—Cc連接到電流環(huán)誤差放大器的反相輸人端，另一端通過增益hc連接到Ug，由式(2)和(4)得：Rc—Cc補償網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用到現(xiàn)有的PFC控制系統(tǒng)，并不需要重新設(shè)計?；赨CC3817控制的Boost PFC變換器與Rc—Cc補償網(wǎng)絡(luò)相連接的電路結(jié)構(gòu)如圖9所示，與圖8所示電路相比較，需要加一個反相器，把ug信號連接到Rc—Cc電路。

從上述理論分析知，LPAC技術(shù)能完全消除輸入過零畸變，并且硬件實現(xiàn)電路也很簡單，在文中的第3節(jié)進行實驗驗證該方法的可行性。

2 三種方法的比較

上節(jié)分析了三種方法來改善輸入電流過零畸變。通過上述的分析知：三電平技術(shù)在消除過零畸變，取得了一定的效果，但是電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且需要對兩個輸出電容進行均壓，控制較復(fù)雜，電路整個成本會增加，在工程應(yīng)用中是不適合的；數(shù)字控制技術(shù)在仿真分析上是可以減小輸入電流諧波，但是在硬件電路上實現(xiàn)也會很復(fù)雜，而且要大大增加電路的成本，同樣在工程應(yīng)用中是不適合的；對于LPAC技術(shù)來說，只要增加兩個無源器件和一個反向器，就可以直接應(yīng)用到現(xiàn)有的PFC控制系統(tǒng)，并不需要重新設(shè)計，第3節(jié)的實驗驗證了該方法的可行性，該方法可以應(yīng)用到實際工程中。

3 采用LPAC技術(shù)的實驗結(jié)果

基于控制芯片UCC3817，設(shè)計并制作了一臺輸出100 W 的實驗樣機，主電路結(jié)構(gòu)如圖9所示。實驗主要參數(shù)為：

實驗波形如圖10所示。圖中，Ch1：輸人電流波形(0．5A／div)；Ch2：輸入電壓波形(50 V／div)。由圖10(a)可以看出，未加LPAC補償時，輸人電流畸變非常明顯；由圖10(b)可以看出，加LPAC補償后，輸入電流畸變明顯消失。由測得的實驗數(shù)據(jù)表明，加LPAC補償網(wǎng)絡(luò)前后，變換器在滿載時，輸入電流諧波含量THD分別為6．5%，2．2%，補償后的輸入電流諧波含量能滿足航空電源諧波標準。

4 結(jié)論

介紹了三種方法來改善輸入電流過零畸變和減小輸入電流諧波含量，重點介紹了LPAC技術(shù)來改善過零畸變。通過比較這三種方法，得出電流相位超前補償技術(shù)在工程應(yīng)用中是最適合的方法，并且基于控制芯片UCC3817，采用LPAC技術(shù)，設(shè)計并制作了一臺實驗樣機。在輸入電壓頻率為400 Hz時，實驗結(jié)果表明，LPAC技術(shù)能明顯減小過零畸變，輸入電流諧波含量能滿足航空電源諧波標準，證明了該方法的可行性。