功率因数校正技术的新型控制方案

1  引言

PFC电路在提高电力电子装置网侧功率因数、降低电网谐波污染方面起着很重要的作用。随着PFC技术应用的普及，PFC电路拓扑日渐成熟。关于PFC控制系统与控制策略的研究目前仍然十分活跃，这从侧面反映出该领域还有许多问题尚待解决[1]。PFC技术的每一种控制策略都有其优缺点，本节简单总结了PFC技术的经典控制策略，对比分析了几种新型控制策略的优缺点，指出了PFC控制技术的发展趋势。

2  PFC整流器的经典控制策略

电力电子电路的六种基本拓扑结构（Buck、Boost、Buck-boost、Flyback、Sepic、Cuk）原则上都可以构成PFC，但因Boost电路的独特优点，在实际中应用最多。PFC的控制策略按照输入电感电流是否连续，PFC分为不连续导通模式（DCM）和连续导通模式（CCM）。DCM的控制可以采用恒频、变频、等面积等多种方式。CCM模式根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈和被控制量，有直接电流控制和间接电流控制之分。直接电流控制有峰值电流控制（PCMC）、滞环电流控制（HCC）、平均电流控制（ACMC）、预测瞬态电流控（PICC）、线性峰值电流控制（LPCM）、非线性载波控制（NLC）等方式。电流的控制也

可以通过控制整流桥输入端电压的方式间接实现，称为间接电流控制或电压控制[2]。

2.2.1  DCM控制模式

DCM控制又称电压跟踪方法，它是PFC中简单而实用的一种控制方式， 应用较为广泛。DCM控制模式的特点：(1)、输入电流自动跟踪电压并保持较小的电流畸变率；(2)、功率管实现零电流开通（ZCS）且不承受二极管的反向恢复电流；(3)、输入输出电流纹波较大，对滤波电路要求较高；(4)、峰值电流远高于平均电流，器件承受较大的应力；(5)、单相PFC功率一般小于200W，三相PFC功率一般小于10kW。

2.2.2 CCM控制模式

CCM相对DCM其优点为：(1)、输入和输出电流纹波小、THD和EMI小、滤波容易；(2)、RMS电流小、器件导通损耗小；(3)、适用于大功率应用场合。CCM模式下有直接电流控制与间接电流控制两种方式。直接电流控制的优点是电流瞬态特性好，自身具有过流保护能力，但需要检测瞬态电流，控制电路复杂。间接电流控制的优点是结构简单、开关机理清晰。

3  PFC整流器的新型控制策略

3.1  单周控制技术

单周期控制技术(One-Cycle Control)[3]是九十年代初由美国加州大学的Keyue M Smedley提出的，它是一种不需要乘法器的新颖控制方法，将这种控制方法应用于功率因数校正是近年来一种新的尝试。单周控制是一种非线性控制技术，它同时具有调制和控制的双重性，通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的。它的基本思想是在每一个开关周期内使受控量的平均值恰好等于或者正比于控制参考量，单周期控制术在控制回路中不需要误差综合，它能在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，前一周期的误差不会带到下一周期，同时单周期控制技术还具有优化系统响应、开关频率恒定、减小畸变、抑制电源干扰和易于实现等优点。这种控制技术可广泛应用于非线性系统的场合，现已在DC-DC变换器、开关功率放大器、有源电力滤波器、静止无功发生器以及单相、三相功率因数校正等方面得到大量应用。

将单周控制的基本原理应用于各种电流控制上，就可以得到电荷控制(Charge Control)，准电荷控制(Quasi-Charge Control)，非线性载波控制(Nonlinear carrier Control) 和输入电流整形技术(Input Current Control)等功率因数校正的新型控制技术。

从形式上看电荷控制是电流型的单周期控制，其控制思想是控制开关的电流量，使之在一个周期内达到期望值。

准电荷控制也是一种电流型的单周控制。准电荷控制是在电荷控制的基础上,用RC网络代替电荷控制中电路中的C网络。

非线性载波控制的控制电流可为开关电流、二极管电流或电感电流，从电路的拓扑结构上讲非线性载波控制技术是在电荷控制的基础上增加了一个外加的非线性补偿，提高了系统的稳定性。在非线性载波控制中当电路工作在电流连续状态下，系统就是稳定的，而电路工作在断续状态下，系统是小信号稳定的。另外非线性载波控制工作在断续条件下会产生输入电流的畸变。

输入电流整形技术检测二极管上的电流，从形式上说是一种类似于非线性载波控制的控制方案，从控制的实质上讲它是平均电流控制的一种反用。

3.2  空间矢量调制

空间矢量调制(Space Vector Modulation)[4]是80年代中后期发展起来的，最初的应用是使电机获得圆形的旋转磁场，称为"磁链跟踪"。目前，空间矢量调制的概念远远超出了电机调速的范畴