[发明专利]基于过零点电流畸变在线补偿的图腾柱整流器的控制方法

说明书

本发明一种基于过零点畸变在线补偿的图腾柱整流器的控制方法，包括以下步骤：在图腾柱式功率因数校正整流器的电网电压过零点区域内，通过以网侧电压相位触发的平均算法提取电流畸变的信息，并在整个工频周期内在电流环的参考值中对其进行补偿，以消除电流在过零点处的波形畸变。在其他阶段，控制环的主要功能是根据先前的计算结果进行电流参考值的补偿，因此，新型控制策略并未给控制器增加计算负担和复杂度，且不会降低变换器的稳定性。

技术领域

本发明属于电力技术领域，具体涉及一种消除图腾柱式功率因数校正(PowerFactor Correction，PFC)整流器交流电压过零点处电流畸变的的控制方法。

背景技术

大量常见的用电设备需要通过电力电子变换器将交流市电转化为符合要求的直流电能，以为负载提供所需的能量，如电动汽车车载充电器、电脑、洗衣机等。传统二极管整流电路会产生大量高次谐波，导致严重的电力环境污染与较低的能源利用率。为保证电网电能质量以及能量转换效率，国际和国内相关组织制定了IECl000-3-2、IEC555-2、IEEE519等标准，对接入电网电气设备的电流谐波水平实施严格的限制，使得PFC技术成为了整流电路不可或缺的部分。

传统功率因数校正电路采用无源器件实现电网电压电流同相位，体积重量大且PFC效果并不理想。相比之下，有源PFC采用电力电子技术中各种基本电路或其衍生拓扑，通过对能量传输的优化控制来实现单位功率因数，具有效率高、重量小等优点，成为了工业和学术界的主要研究对象。目前AC-DC设备由前级PFC电路和后级DC-DC电路构成。这种两级式PFC虽可以实现较高的功率因数，但是电路中使用器件较多，不利于设备的成本控制和效率提升。

与此同时，图腾柱整流器作为一种单级无桥PFC拓扑，由于其所用的电力半导体器件数量最少，工作时其输入电流路径只通过一个高频开关管和一个工频开关管，器件通态和开关损耗均大幅降低，使其成为成本、效率、功率密度最优的AC-DC变换器之一。因此，图腾柱整流器的拓扑及其控制方法的优化成为国内外学者的研究热点。

图腾柱PFC电路的典型工作模式分为临界导通模式(Critical Mode，CRM)以及连续电流导通模式(Continuous Conduction Mode，CCM)。CRM模式的实现相对容易，然而其电流谐波含量大，进而增大滤波器体积和重量，因此CRM模式往往适用于小功率PFC场合。CCM模式的控制和实现相对复杂，但其电流谐波含量较小，对滤波器的设计要求更低。对于车载充电机等便携式用电设备来说，对变换器的体积和重量要求更为严格，为减小电路的尺寸以及重量，CCM模式的应用优势更加突出。

典型的PFC电路采用双闭环控制，其关键是通过对电网电流的调节来控制输出电压，同时保证电路实现电网侧单位功率因数。

PFC闭环控制系统的设计关键在于，电流环的输入信号为工频信号，为使得电流对于参考值具有良好的跟随效果，电网频率处对应的环路增益应尽可能大，以便消除静态误差；与此同时，为了降低电路的谐波含量，需要降低控制回路其它频率段的增益，设计往往需要在电流的谐波含量和动态响应之间进行权衡。

为获得工频处尽可能大的电流环增益，在环路设计时往往选取比例谐振控制器(Proportional Resonant Controller，PR控制器)。PR控制器的选取会使得控制环路设计的矛盾得以缓和。然而，在输入电压过零点处，控制器对于响应速度的要求更高，而此时电路对于控制量与参考量之间的偏差也更为敏感，响应速度与抗扰性之间的矛盾尤为突出。因此，工作于连续电流导通模式(Continuous Current Mode,CCM)下的图腾柱PFC整流电路在交流电压的过零点附近易发生显著的电流波形畸变，其产生的电流谐波与电磁干扰(Electromagnetic Interference，EMI)等不利影响会严重损害电气设备的性能和效率。