几种新型PFC技术控制策略的优缺点与发展分析

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。

2.2.1 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）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）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，成为与SPWM相并行的一种PWM调制技术。空间矢量调制也是矩阵式变换器的最佳调制方式，三相功率因数校正电路的数字化实现也可用此方式。在模拟控制中，用abc三相对称坐标系，控制量是分段正弦的；在数字化实现时，用同步旋转的d-q正交坐标系，此时，控制量在稳态时为常量，容易保证好的稳态特性。模拟控制时，控制变量是时变的，在电压、电流过零时，可能出现不连续，并且由于模拟控制器的工频增益有限，电流畸变通常比数字控制大。数字控制的带宽主要受运算速度和采样延迟的限制。随着微控制器的性能价格比不断提高，基于SVM的数字化实现会越来越具吸引力。空间矢量在理论分析上也有优点，用其描述三相电路的状态轨迹，非常直观。

3.3 无差拍控制

无差拍控制（Deadbeat control）是一种在电流滞环比较控制技术基础上发展起来的全数字化的控制技术。它的基本思想是将输出参数等间隔的划分为若干个取样周期。根据电路在每一取样周期的起始值，预测在关于取样周期对称的方波脉冲作用下某电路变量在取样周

期末尾时的值。适当控制方波脉冲的极性与宽度，就能使输出波形与要求的参数波形重合。不断调整每一取样周期内方波脉冲的极性与宽度，就能获得波形失真小的输出。

无差拍控制的最显著的优点就是数学推导严密、跟踪无过冲、系统动态响应快、易于计算机执行等，缺点是它要求建立精确的数学模型，当理想模型与实际对象有差异时，剧烈的控制动作会引起输出电压的振荡，不利于系统稳定运行。随着数字信号处理单片机（DSP）应用的不断普及，这是一种很有前途的控制方法

基于空间电压矢量PWM的电流无差拍控制方法，开关频率恒定，调节性能良好，代表了目前国际上PFC技术的先进水平。

3.4 滑模变结构控制

滑模变结构控制适应了电力电子变换器的开关非线性特性，能够根据变换器运行状态，有效的控制变换器工作状态的切换，实现变换器的控制目标，动态性能好且鲁棒性强，这样，滑模变结构控制就能很容易地应用于整流器、逆变器等相关领域的应用研究，从而最有望成为电力电子变换器实用的控制技术。

变流器的时变参数问题是人们一直努力解决的问题。考虑到开关变换器的开关切换动作与变结构系统的运动点沿切换面高频切换有动作上的对应关系。因而可以考虑用滑模变结构这种方法来控制变流器。

在整流器的功率因数校正系统中，输入电流的稳态特性和输出电压暂态特性之间存在着矛盾的关系，应用滑模变结构控制方法，可以在输入电流的稳态特性和输出电压暂态特性之间进行协调，使输入电流满足有关标准的前题下，尽可能地提高输出电压动态响应。

3.5 基于Lyapunov非线性大信号方法控制

传统控制方法的数学建模一般是基于系统的小信号线性化处理，这种方法的缺点是对系统的大信号扰动不能保证其稳定性。基于这种考虑，提出了用大信号方法直接分析这种非线性系统。仿真和实验结果表明，系统对大信号扰动具有很强的鲁棒性。

3.6 dqo变换控制

dqo变换控制是根据瞬时无功功率理论，将电源电流分解到dqo坐标系下，得到两个直流量Id 、Iq。指令电流Id*、Iq*由电压控制环给出，由于参考值和反馈值在稳态时都是直流信号，所以可以做到无稳态误差跟踪，这种方法的控制精度高，但控制中涉及的计算复杂，随着高性能的单片机及专用的矢量转换芯片的出现，其实现也是可行的。

4 控制策略的总结与展望

DCM控制尽管简单，但由于器件承受较大的开关应力。限制了其功率应用范围。CCM控制中，直接电流控制应是发展的主流，它适用于对系统性能指标和快速性要求较高的大功率场合。CCM模式下的电流控制需要乘法器和对输入电压、输入电流进行检测，控制电路复杂且成本高，乘法器的非线性失真也增加了输入电流的谐波含量。因此，不带乘法器的简化控制成为PFC研究的一个热点。

寻求更加简化的控制策略、降低PFC成本、减小THD和EMI、降低器件开关应力、提高整机效率仍然是今后PFC控制策略的发展趋势。中大功率的电力电子设备在电网中占有很大比重，因此三相PFC应是PFC研究的重心。随着三相PFC整机成本的提高和开关频率的降低，依托高速的数字处理器，数字控制成为发展的主流。由于各种控制策略都有优缺点，将各种控制策略合理搭配，取长补短，可以收到理想的控制效果，这也是控制技术发展的一个方向。

与现代控制理论相关的控制方法如状态反馈控制（极点配置）、二次型最优控制、非线性状态反馈、模糊控制、神经网络控制等，都可以用在PFC电路中。但这些方法还不成熟，处于积极的探索之中。基于大功率电子设备的要求，目前多电平变换器和各种简单拓扑的串联、并联等拓扑相继提出，对于这些电路的控制，除采用现有的控制策略外，还尝试发展更有针对性的控制技术。

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