PFC Boost变换器次谐波振荡抑制方法研究

摘 要： 峰值电流型功率因数校正升压（PFC Boost）变换器运行时会产生次谐波振荡与混沌现象，影响电路的稳定运行，通常采用固定斜坡补偿或分段固定斜坡方法进行抑制，但是固定斜坡补偿方法来自于DC?DC Boost变换器，用于PFC Boost变换器具有不可克服的缺陷。该文提出了一种能够彻底消除电路中次谐波振荡的动态斜坡补偿方法，并以110 V/200 W的PFC Boost变换器为研究对象，利用Matlab/Simulink进行了仿真和验证分析。结果表明，所提出的动态斜坡补偿方法可实现次谐波振荡抑制和单位功率因数校正的双重功能。

关键词： PFC Boost变换器； 次谐波振荡； 振荡抑制； 动态斜坡补偿

中图分类号： TN710?34； TP273.1 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2016）16?0143?04

Abstract： The power factor correction boost （PFC Boost） converter of peak current mode can generate the subharmonic oscillation and chaos phenomenon in its running， which affects the stable operation of the circuit. The constant slope compensation or segmentation constant slope method is usually used to suppress the subharmonic， but the constant slope compensation method for DC?DC Boost converter has the inevitable defects to PFC Boost converter. In this paper， a dynamic slope compensation method is proposed to entirely eliminate the subharmonic oscillation in the circuit， and the PFC Boost converter of 110 V/200 W is taken as the research object. The simulation and validation analysis for the method was carried out with Matlab/Simulink. The results show that the proposed dynamic slope compensation method can realize the dual functions of subharmonic oscillation suppression and unit power factor correction.

Keywords： PFC Boost converter； subharmonics oscillation； oscillation suppression； dynamic slope compensation

0 引 言

PFC Boost变换器是有源功率因数校正电路最为广泛的拓扑结构之一[1?3]。内部包含有电感、电容、开关器件、乘法器等非线性器件[4]，在提高功率因数的同时，也给系统带来了很强的非线性[5?7]。峰值电流型PFC Boost变换器具有良好的动态特性，故障状态下可避免系统过流[8?9]。其缺点是开关管电流和控制电流抗干扰能力较差，当占空比D>0.5时，会出现次谐波现象，引起系统的不稳定运行[10?16]。本文从分析无补偿和固定斜坡补偿的缺陷入手，采用逆向思维，以研究参考电流的精确时变表达式为目的，提出了一种可以同时消除电路中次谐波振荡现象和提高功率因数的动态斜坡补偿技术。

1 PFC Boost变换器的次谐波振荡

峰值电流型PFC Boost变换器采用双环反馈控制，其拓扑结构如图1所示。电压环由PI环节、比例环节[Pe]和输入反馈Pv单元构成，用来减少输出电压纹波和保证输出电压的稳定，同时为电流内环提供参考电流[iref′]，保证输入电流的峰值包络跟随正弦输入电压波形；电感电流通过PWM发生器与参考电流[iref′]进行比较，产生对功率管[VT]的控制信号。

峰值电流型Boost变换器在连续导电模式下的电感电流扰动波形如图2所示。[δin]是电感电流在第n个开关周期时刻的扰动量，[m1=vi（t）L]为电感电流的上升斜率，[m2=（Vo-vi（t））L]为电感电流的下降斜率。

当占空比D>0.5时，如果电感电流在第n个周期起点受到一个扰动，[δin>0]，该周期结束后，扰动被放大为[δin+1=αδin]， [δin+1>δin]，且[α>1]，[δin+1]与[δin]反号。在第n+1个周期结束时，扰动量为[δin+2=][α2δin>0]。扰动量的变化频率为开关频率的一半，出现次谐波振荡现象。由于扰动量的不断增加，系统处于不稳定运行状态[9?11]。

2 固定斜坡补偿次谐波抑制的缺陷分析

传统设计在补偿环节引入固定或分段固定斜坡补偿信号消除次谐波振荡现象。即在电感电流上加入一个固定斜率为-m的斜坡电流信号，且m>0。固定补偿后的电感电流如图3所根据理想电路的平衡条件，可得电路离散方程：

[irn=in+vi（t）LDnT=iref′-mDnTin+1=irn-m2（1-Dn）Tirn+1=in+1+m1Dn+1T=iref′-mDn+1Tin+2=irn+1-m2（1-Dn+1）T] （1） 式中：[m=VmL]，为固定补偿信号的斜率；[Vm]为斜坡补偿的电压，单位为V；[irn]为在第[n]个开关周期内电感电流与补偿后参考电流的交点。

相邻开关周期电感电流采样值增量为[Δin=in+1-in]，由式（1）可得：

[Δin+1=m-m2m+m1Δin] （2）

全工频期内，相邻开关周期电感电流增量为：

[Δin+k=m-m2m+m1k・Δin=λkΔin] （3）

由电路稳定条件[-1