基于小信号模型的Boost-PFC控制电路优化设计

作者：鲁芳朱飞翔吴青坡

来源：《现代电子技术》2010年第06期

摘要:在设计PFC开关电源时,除了追求高功率因数以外,良好的稳定性和动态性能也是至关重要的。在此给出平均电流控制型Boost-PFC功率电路的小信号模型,通过对双环反馈控制电路的分析,用频域法对电流控制环和电压控制环进行反馈综合。通过选择合适的补偿网络、进行合理的零极点配置,来改善电路的特性,使电路保持较好的稳定性和动态性能。在此基础上,使用最优控制理论,对补偿网络的参数进行优化设计,并通过Matlab仿真证明该优化设计可行。

关键词:小信号模型;频域设计;双环控制;优化

中图分类号:TN712文献标识码:A

文章编号:1004-373X(2010)06-199-04

Optimal Design of Boost-PFC Control Circuit Based on Small-signal Model

LU Fang1,ZHU Feixiang2,WU Qingpo2

(1.Naval Aeronautical and Astronautical University,Yantai,264001,China;

2.No.5 Brigade of Postgraduate,Naval Aeronautical and Astronautical

University,Yantai,264001,China)

Abstract:While designing the power factor correction circuit,excellent stability and dynamics character is very important besides high power factor.The small-signal model of average current Boost-PFC power circuit is analysed,basing on the analysis of double-feedback control

circuit,establishing the frequency model of control system.It synthesis analyses the voltage feedback circuit and current feedback circuit by frequency model.By choosing proper compensate and installing proper transfer functions to improve dynastic character and stability.It designs the parameter of control circuit by using optimal control theory and verifies the design is feasible by Matlab simulation experiment.

Keywords:small-signal model;frequency design;double-feedback control;optimization

开关电源的高频化、高效化是电源技术发展的方向,其带来的效益是使开关电源装置小型化,轻便化。但随着开关频率的不断提高,开关损耗,高频电磁干扰增加;同时电路拓扑结构急剧的变化所引起的非线性现象将对系统的稳定性造成影响。在开关电源的功率因数校正(PFC)领域

也存在这些不足,针对这种问题的解决方法通常是研究新的拓扑结构、新的控制方法以及运用多相PFC电路和软开关技术等。在开关电源的PFC电路中,存在输入电压频率(低频)和开关频率(高频)[1],小信号模型在分析低频交流信号的动态特性上具有广泛的应用,它将非线性系统在静态工作点附近近似为线性系统,实现非线性系统的线性化。频域设计能够兼顾控制系统的动态特性和噪声抑制,将其用于分析和设计双环反馈控制系统是可行的。

1 Boost-PFC双环控制原理

平均电流控制模式下的Boost-PFC原理图如图1所示。从原理图中可以看出,该控制电路由一个电压外环和一个电流内环构成电压、电流双闭环控制。主电路的输出电压经过电压采样后与基准电压Vref比较,产生误差信号输入给电压环控制器进行处理, 电流环的基准信号

iref=AB/C,之所以要除以C是为了使输入功率不随输入电压的变化而变化,保持电压环的增益基本恒定。然后将基准信号iref与电感电流比较,将电流误差输入即电流环控制器,得到电流环输出控制信号,将其输入PWM调节器产生PWM信号d来控制开关的通断,实现开关调节系统的双环控制。

图1 Boost-PFC双环控制原理图

2 数学模型

2.1 功率电路的小信号模型

小信号模型的建模思想是将变换器电路中的各变量在一个开关周期内求平均,以消除开关纹波的影响;其次将各平均变量表达为对应的直流分量与交流小信号分量之和,消去直流分量后即可得到只含小信号分量的表达式,达到分离小信号的目的;最后对只含小信号分量的表达式作线性化处理,从而将非线性系统在直流工作点附近近似为线性系统[4]。由于开关频率很大,可以近似认为在一个周期内电感电流连续、输入电压恒定。则Boost功率电路具有下面两种工作状态:

工作状态1开关导通时,电感电压与电容电流分别为:

-v(t)/R

工作状态2开关关断时:

-v(t)

-v(t)/R