0 引言

    能源問題已成為當今世界發(fā)展的主要問題之一，隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，電動汽車由于經(jīng)濟環(huán)保性，其相關(guān)技術(shù)已成為研究熱點^[1]。車載充電機前級由PFC AC/DC變換器組成，在單位功率因數(shù)下，其直流側(cè)輸出功率包含直流分量與二倍工頻脈動分量，脈動功率直接影響變換器性能以及系統(tǒng)穩(wěn)定性^[2]；另外，脈動功率易導致PFC AC/DC變換器直流側(cè)輸出電壓、輸出電流產(chǎn)生持續(xù)振蕩，而電流持續(xù)振蕩又會造成電池內(nèi)部過熱等問題，降低電池使用壽命^[3]，直接影響系統(tǒng)的安全可靠運行。為了避免PFC AC/DC變換器直流側(cè)輸出電壓、輸出電流持續(xù)振蕩現(xiàn)象的出現(xiàn)，通常在變換器輸出直流母線側(cè)并聯(lián)大容量電解電容組成濾波電路吸收二倍工頻脈動功率，使負載獲得所需的直流功率。但是，相比于充電機中的其他電子器件，電解電容使用壽命較短，特別是在高溫等惡劣工況下，其使用壽命會進一步降低，從而導致PFC AC/DC變換器失效。

    為了增加變換器的可靠性，文獻[4]提出采用薄膜電容代替電解電容的解決方案。但在相同體積下，薄膜電容的容量遠小于電解電容，因此會造成變換器輸出電壓二次紋波增大。為了實現(xiàn)在采用薄膜電容的同時降低直流側(cè)二次電壓紋波，文獻[5]提出外加功率解耦電路的方法。

    此外，單相PFC AC/DC變換器本身的非線性特性以及在實際應用中系統(tǒng)參數(shù)的內(nèi)外部擾動造成系統(tǒng)無法實時建立準確的數(shù)學模型，文獻[6]提出基于無模型非線性功率控制方法，擺脫了控制器對變換器參數(shù)的依賴，在克服系統(tǒng)內(nèi)外部干擾和測量噪聲的同時提高了系統(tǒng)的動靜態(tài)特性與魯棒性。

    為此，本文首先給出集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器主拓撲并分析其工作原理，完成其關(guān)鍵元器件參數(shù)設計與選型，再針對PFC AC/DC變換器，設計無模型功率控制器，同時，針對功率解耦電路設計改進的PR控制器，旨在給出一體化的系統(tǒng)解決方案，抑制其輸出電壓的二次紋波，兼顧系統(tǒng)控制性能、魯棒性能的有效提升及系統(tǒng)的安全可靠運行^[7-8]。在系統(tǒng)解決方案分析研究與仿真驗證的基礎上，設計并制作一臺700 W功率等級的集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器實驗樣機，基于dSPACE 1007搭建樣機測試系統(tǒng)，驗證所提出的系統(tǒng)解決方案的可行性及有效性。

1 集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器拓撲及工作原理分析

    集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器拓撲如圖1所示，由以BOOST電路為主體的PFC AC/DC變換器和以雙向全橋結(jié)構(gòu)構(gòu)成的功率解耦電路兩部分組成^[9]。

    鑒于PFC AC/DC變換器電感L_s對于二倍工頻脈動功率影響較小，在忽略功率器件開關(guān)損耗的條件下，假設電路輸入功率等于輸出功率，輸入電流功率因數(shù)為1，則輸出功率中二倍頻脈動功率分量p_ripple(t)為：

式中：V_in為輸入電壓幅值，I_in為輸入電流幅值，ω為輸入電壓角頻率，θ為任意相角。

    理想情況下，直流側(cè)輸出電壓為恒定直流量，但在實際工況下，解耦電路并不能完全補償脈動功率，造成加入解耦電路后的變換器輸出電壓中除了含有恒定的直流量外仍然包括一定的高次諧波分量，此時輸出濾波電容C_o的主要作用是濾除高頻紋波。

2 集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器的控制

    對集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器實施獨立控制，分為PFC AC/DC的控制和功率解耦電路的控制兩部分，系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

    PFC AC/DC變換器采用無模型非線性功率控制^[6]，兼顧提高系統(tǒng)的動靜態(tài)性能及魯棒性。

    對于功率解耦電路，設計PR控制器，控制功率解耦電路中電容C_d端電壓實現(xiàn)對電容電壓參考值的準確跟蹤，達到脈動功率解耦目的。

    為設計匹配的PR控制器，需基于全橋功率解耦電路的工作狀態(tài)分析，建立功率解耦電路的電路模型。全橋功率解耦電路可分為兩種工作狀態(tài)，即電容C_d充電狀態(tài)與放電狀態(tài)，由于在兩種狀態(tài)下電路的工作過程對稱，僅以充電狀態(tài)為例予以分析，在一個周期T_s內(nèi)，令Q1的占空比為d，在[0，dT_s]期間，開關(guān)Q1、Q4開通，輸出電壓v_o向電容C_d充電，電感L_d儲能；在[dT_s，T_s]期間，開關(guān)Q2、Q3開通，電感L_d通過Q2、Q3的反并聯(lián)二極管向電容C_d充電。

    [0，dT_s]期間，全橋功率解耦電路動態(tài)方程為：

    理想情況下，功率解耦電路可以完全消除直流側(cè)的電壓紋波，則輸出電壓可視為恒定直流量V_o，上式又可寫為：

    在式（8）中代入設計的電路參數(shù)，可得其開環(huán)傳遞函數(shù)的幅相曲線如圖3所示，分析可知在LC諧振頻率附近其相位特性接近-180°，直接采用PR控制，系統(tǒng)相位裕度不足，將導致系統(tǒng)不穩(wěn)定運行，故對傳統(tǒng)PR控制器實施改進，通過在控制器中引入適當?shù)牧銟O點以改善系統(tǒng)的相位裕度，旨在保證閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下實現(xiàn)電壓環(huán)的零穩(wěn)態(tài)誤差跟蹤，改進后的PR控制器傳遞函數(shù)表達式為：

3 系統(tǒng)實驗

    基于dSPACE 1007平臺搭建了一臺700 W功率等級的集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器實驗測試系統(tǒng)，實驗參數(shù)如表1所示。

    圖4所示為功率700 W時變換器輸出電壓波形，輸出電壓紋波峰峰值約為10 V，僅為輸出電壓的4.2%。實驗結(jié)果證實了集成功率解耦電路能夠按照設計預期，吸收直流側(cè)大部分脈動功率。

    圖5所示為在700 W負載條件下，集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器經(jīng)整流橋后的輸入電壓、輸入電流波形，輸入電流能夠?qū)崿F(xiàn)對輸入電壓的很好跟蹤，達到了功率因數(shù)校正的目的。

    在0.05 s時負載功率由400W突變?yōu)?00 W，圖6為變換器輸入電壓和輸入電流動態(tài)，圖7為輸出電壓動態(tài)，輸入電流在一個周期內(nèi)即達到穩(wěn)態(tài)，輸出電壓在0.02 s內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)且無超調(diào)，實驗結(jié)果揭示出在負載突變情況下系統(tǒng)仍然擁有快速動態(tài)性能與強魯棒性。

    圖8所示為在0.05 s負載功率由400 W突變?yōu)?00 W時，解耦電容電壓與參考電壓動態(tài)。實驗結(jié)果證實了當負載功率突變時，解耦電容電壓能夠?qū)崿F(xiàn)對其參考電壓的準確跟蹤，表明改進的PR控制器能夠使功率解耦電路擁有良好動靜態(tài)特性。

4 結(jié)論

    為了實現(xiàn)電動汽車車載充電器前級PFC AC/DC變換器系統(tǒng)控制性能、魯棒性提升及安全可靠運行的研究目標，本文提出了集成功率解耦電路PFC AC/DC變換器的一體化系統(tǒng)解決方案，該方案由集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器拓撲選擇、關(guān)鍵參數(shù)設計，基于PFC AC/DC變換器超局部模型的無模型非線性功率控制，基于功率解耦電路數(shù)學模型的改進PR 控制核心部分組成。設計并制作了一臺700 W功率等級的集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器實驗樣機，基于dSPACE 1007搭建了樣機測試系統(tǒng)，系統(tǒng)實驗結(jié)果證實了所提出的集成功率解耦電路PFC AC/DC變換器系統(tǒng)解決方案能夠有效抑制其輸出電壓二次紋波，提升系統(tǒng)控制性能及魯棒性，實現(xiàn)系統(tǒng)的安全可靠運行。

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作者信息:

曾燊杰，李紅梅，張恒果，崔  超

（合肥工業(yè)大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥230009）