0 引言

    我國電動汽車產業快速發展，大量電動汽車充電行為為電網帶來大量諧波^[1-2]。文獻[3]中采用Boost電路作為整流電路后級，實現了功率因數校正(PFC)，減小了電網諧波。隨著PFC技術的發展，不斷有新型PFC拓撲結構提出，如倍壓PFC、無橋PFC、交錯并聯Boost PFC等^[4-5]。其中交錯并聯Boost PFC系統不僅具有并聯系統的所有優點，還能減少輸入電流紋波，降低開關管的電流應力。在大功率場所通常采用工作于電感電流連續導電模式(Continue Conduction Mode，CCM)^[6]的交錯并聯Boost PFC變換器。

    基于現有PFC變換器的拓撲結構，已經提出以下控制方法：峰值電流控制、平均電流控制、單周期控制等^[7-8]。其中平均電流控制相比其他控制方法具有更加良好的動靜態特性。

    其次，并聯系統中還應考慮均流問題，若并聯系統兩支路電流不均衡，那么某一支路開關管所承受的電流應力勢必加大，會增大開關管損壞機率^[9]。

    本文針對平均電流控制交錯并聯CCM Boost PFC變換器中存在的兩支路不均流造成開關管電流應力加大的問題，對不均流原理進行分析，并采用占空比補償電流控制策略，實現了并聯兩相Boost電路的均流控制，解決了上述問題。

1 交錯并聯CCM Boost PFC變換器工作原理

    交錯并聯CCM Boost PFC變換器原理圖如圖1(a)所示，穩態時序波形如圖1(b)所示。

    如圖1(b)所示，交錯并聯CCM Boost PFC變換器為兩個相同Boost PFC變換器并聯而成，單個開關管S₁、S₂的驅動信號相位相差180°，如圖1(b)所示，開關管S₂的驅動信號相比開關管S₁滯后180°，電感L₁與電感L₂支路的電流波形相同，相位相差180°，所以兩支路的電流交錯并聯后將會消除掉一部分電流紋波，從而總電流i的紋波得到減小，頻率變為之前的2倍。

2 平均電流控制交錯并聯CCM Boost PFC變換器的不均流問題

2.1 單個CCM Boost PFC電路電流跟蹤分析

    單個CCM Boost PFC電路如圖2所示。

    圖2所示電路中，電感L工作于連續模式，占空比表達式為^[10]：

    根據平均電流控制策略的原理^[11]，結合式(2)、式(8)、式(9)分析可知：每個開關周期，占空比不同，t(n)+d(n)T時刻與t(n+1)時刻的電感電流也就不同（隨輸入電壓v_in(t(n))及占空比d(n)變化），所以電感電流具有良好的電流跟蹤特性。

2.2 交錯并聯CCM Boost PFC電路不均流原理

    如圖1的交錯并聯Boost PFC電路，電感L₁與電感L₂大小相等為L。

    對于電感L₁由式(8)、式(9)可得：

    對式(14)、式(15)分析可得：在t(n)+d(n)T時刻與t(n+1)時刻的電感L₁與電感L₂之間均會存在電流差，如圖3所示。

    實際電感電流i_L1與i_L2跟蹤給定輸入電流i_Lref的波形如圖4所示，不均流現象明顯。

3 占空比補償控制環

    由上文分析，交錯控制中開關管的導通延遲導致i_L2電流不能很好地跟蹤給定電流，發生不均流。

    為保證電感電流i_L2能很好地跟蹤給定電流，在如圖1(a)所示的傳統平均電流控制的基礎上進行改進，將占空比補償環加入傳統電流內環補償均流占空比，使電感電流i_L1與電感電流i_L2均能很好地跟蹤給定電流，達到均流目的。引入占空比補償控制環后的控制圖如圖5所示。

3.1 占空比補償控制環的原理

    為使交錯并聯CCM Boost PFC變換器并聯兩模塊實現均流，考慮只有兩模塊并聯，所以設計占空比補償控制環時，只需在其中一條支路中加入占空比補償控制環，當這一支路電感電流通過均流占空比補償后達到總電流的1/2時，另一支路的電流必定也為總電流的1/2，達到了兩支路均流的目的。

    由前文對不均流原理的分析，交錯控制中開關管的導通延遲產生很小的輸入電壓增量Δv_in，導致電感電流i_L2不能很好地跟蹤給定電流，兩支路電流形成電流偏差。所以，在電流偏差源支路（電感L₂支路）的電流環中加入占空比補償環節，將均流占空比補償到平均電流控制的電流內環輸出的控制占空比中，使電感電流i_L2為總電流的1/2，那么電感電流i_L1也為總電流的1/2，實現了并聯兩支路的均流。

3.2 補償環節算法的設計

    根據電感L₂的支路電流給定值1/2(i_Lref)與實際值i_L2的差Δi_L2占該支路電流給定值1/2(i_Lref)的比例得到電感L₂支路的電流偏差程度：

    交錯并聯CCM Boost PFC變換器的直流輸入電壓v_in為整流橋輸出電壓的正弦半波，其變化范圍是零到峰值電壓v_pk之間，v_in在零附近時，控制占空比最大，v_in為峰值時，控制占空比最小。所以在占空比補償控制環中，能夠用于補償的均流占空比最大值為控制占空比的最大值：

4 仿真驗證

    基于MATLAB/Simulink仿真軟件對采用占空比補償電流控制策略的交錯并聯CCM Boost PFC變換器進行仿真研究。主電路參數為：電網電壓220 V，50 Hz；輸出電壓v_o=400 V；電感L₁=L₂=800 μH；電容C=400 μF; 開關頻率為50 kHz；能夠用于補償的均流占空比最大值為控制占空比的最大值：0.78。

    兩種控制策略下電感電流及總輸入電流波形、開關管電流波形分別如圖6、圖7所示。

仿真結果表明，采用占空比補償電流控制相較于傳統的平均電流控制均流效果明顯，并且開關管電流應力明顯降低。

5 結論

    由于交錯控制引起的兩并聯Boost支路不均流現象，本文在傳統平均電流控制策略的基礎上進行了改進，通過分析平均電流控制交錯并聯CCM Boost PFC變換器，采用了占空比補償電流控制策略，加入占空比補償控制環，讓均流占空比對平均電流控制的電流內環輸出占空比進行補償，并對補償的原理、算法進行了分析，最后進行了仿真驗證。本文分析表明，占空比補償電流控制的交錯并聯CCM Boost PFC變換器不僅具有傳統平均電流控制策略的所有優點，還實現了兩并聯Boost支路的均流，避免了因不均流引起的某一支路開關管電流應力過大的問題。

參考文獻

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作者信息:

劉欣睿1，林競力1，郭筱瑛2，張煜楓1，萬  敏3，曹太強1

（1.西華大學 電氣與電子信息學院，四川 成都610039；

2.攀枝花學院 電氣信息工程學院，四川 攀枝花617000；3.西華大學 理學院，四川 成都610039)