0 引言

    單相PFC AC/DC變換器具有體積小、效率高等優點，在電動汽車車載充電器及其他工業電源系統中獲得了廣泛的應用^[1]。但是系統輸出端所固有的二次紋波電壓會引起電池壽命下降及電池過熱等一系列問題。傳統的做法是在直流輸出端加入由電解電容組成的濾波電路^[2]，雖然電解電容具有容量大且價格低的優點，但是電解電容的等效串聯電阻較大且可靠性較差，相比于系統中的其他器件，其平均使用壽命較短，為此，電解電容失效或者故障是車載充電器主要的頻發故障之一。

    相比電解電容，薄膜電容在多方面都優于電解電容，并且具有更高的使用壽命。采用薄膜電容取代電解電容雖可顯著提升車載充電器的使用壽命和系統的安全性，但是在同樣的電容體積約束條件下，較之電解電容，薄膜電容的二倍頻脈動功率吸收能力有限。為此，文獻[3]、[4]提出了解決這一問題的兩種方法，本文采用主動功率解耦的方法來吸收二倍頻脈動功率，其基本原理是在系統中加入功率解耦電路，將二倍頻脈動功率存儲在功率解耦電路的儲能器件中，降低輸出電壓紋波，使負載獲得恒定的直流功率。

    此外， PFC AC/DC變換器本身的非線性以及實際存在的系統內、外參數擾動，使得系統存在動態響應慢及擾動抑制能力差等問題。無模型控制方法^[5]具有控制結構簡單且不依賴于系統數學模型，對于系統干擾、測量噪聲以及未建模動態具有強魯棒性的技術優勢。為此，為了在有效吸收PFC AC/DC變換器二倍頻脈動功率的基礎上，兼顧提升系統的動態性能及魯棒性，針對2 kW功率等級的車載充電器，論文重點研究集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器設計及其控制。首先分析功率解耦電路工作原理并確定其關鍵元器件參數；其次，分別設計PFC AC/DC變換器的無模型非線性功率控制器、功率解耦電路控制器。最后，通過系統建模與仿真證實變換器具有良好的脈動功率吸收能力并且系統動靜態性能及魯棒性較好。

1 PFC AC/DC變換器輸出功率解耦電路原理與關鍵參數計算

    基于Boost電路的PFC AC/DC變換器輸出功率P_o存在二倍頻脈動功率，導致其輸出側需應用大容量電解電容以減小其產生的二次電壓紋波，其輸出功率P_o可分解為直流功率P_DC和交流功率p_ac兩部分。論文建議額外增設功率解耦電路，并控制其吸收的功率等于p_ac，使輸出負載上獲得恒定的直流功率P_DC，進而消除PFC AC/DC變換器輸出電壓中的二次紋波。

    集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器主電路拓撲如圖1所示，與傳統的PFC AC/DC變換器主電路拓撲相比，其直流輸出部分增設了吸收二倍頻脈動功率的功率解耦電路，此功率解耦電路由全控整流橋、電感L_d和電容C_d組成，其中C_d用于吸收二倍頻脈動功率，L_d取值較小，其主要作用是消除全控整流橋工作時產生的高頻開關電流紋波。此時的PFC AC/DC變換器主電路濾波電容C₁僅用于吸收主開關管S的高頻開關諧波，其電容容值可取較小值，為此，可選擇薄膜電容，以提高車載充電器的安全可靠性及其使用壽命。

    集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器的瞬時輸入功率表達式為：

    為了簡化推導，假定變換器變換效率為100%，基于上述分析，若控制流過電容C_d的電流準確跟蹤如式(2)所示的電流參考值i_cref，則功率解耦電路可完全吸收變換器輸出二倍頻脈動率。

    電感元件L_d的作用是在消除高頻開關紋波的同時，將電流紋波限制在一定的允許范圍內。由于開關頻率較高，在一個開關周期內可視電容C_d兩端的電壓保持不變，由電感伏秒平衡原理可知當系統穩定工作時，在一個開關周期內電感上的電流總變化量為零，若將電感電流紋波系數取為30%，經計算確定電感L_d取300 μF。

2 集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器控制策略

2.1 PFC AC/DC變換器的無模型非線性功率控制

    由于功率解耦電路、PFC AC/DC變換器所實現功能是互相獨立的，為此，可獨立設計各自的控制器實現集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器控制。對于PFC AC/DC變換器，針對系統本身的非線性以及實際存在的系統內、外參數擾動，在文獻[5]所提出的無模型控制及文獻[6]所提出的非線性功率控制的啟發下，擬定的控制PFC AC/DC變換器的設計思路是控制PFC AC/DC變換器的輸入功率跟蹤其輸入功率參考值，實現AC/DC變換和功率因數校正，即針對PFC AC/DC變換器設計其無模型非線性功率控制器。

    首先基于PFC AC/DC變換器的輸入和輸出，建立PFC AC/DC變換器超局部模型，其表達式為

    無模型非線性功率控制的PFC AC/DC變換器如圖2所示，PFC AC/DC變換器超局部模型的準確建立依賴于F的準確估計，本文采用文獻[6]所給出的方法估計參數F。

2.2 功率解耦電路的準PR控制 

    鑒于PR控制在諧振頻率處的增益為無窮大，因此理論上PR控制對于正弦交流信號可以實現無靜差跟蹤，由于功率解耦電路的電流參考信號是正弦交流量，并且考慮實際應用中的噪聲以及系統不穩定等問題，實施準PR控制。其控制思路是通過控制流過電容C_d的電流i_c跟蹤電流參考i_cref以實現二倍頻脈動功率的有效吸收。

    準PR控制器的傳遞函數為：

    首先根據電網允許頻率波動，確定準PR控制器的截止頻率ω_c，其比例與積分系數可通過控制變量法進行調節，直到系統的動態和穩態性能達到要求為止^[7]。

3 系統建模與仿真研究

    基于MATLAB/Simulink軟件建立了系統的仿真模型，并與傳統PI控制的PFC AC/DC變換器性能進行分析比較，部分設計參數和主要元器件參數如表1所示。

    如圖3所示，較之PI控制，建議的控制策略具有無超調、動態響應快及魯棒性強的技術優勢。

    圖4所示為在2 kW工況下，無模型非線性功率控制的PFC AC/DC變換器在不同條件下輸出電壓動態。圖4（a）所示是在輸出濾波電容C₁為100 μF時的輸出電壓動態，電壓紋波達到了90 V；圖4（b）為論文建議的集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器系統在輸出電容為100 μF條件下的輸出電壓動態，其電壓紋波僅為2 V。系統仿真研究結果表明：該方法可有效吸收PFC AC/DC變換器所存在的二倍頻脈動功率，且輸出濾波電容C₁的容量降低9~10倍，為薄膜電容代替電解電容提供了可能；此外，系統兼具良好的魯棒性。

4 結論

    為了在充分吸收車載充電器PFC AC/DC變換器二倍頻脈動功率的基礎上，兼顧提升系統的動靜態性能，針對2 kW功率等級的車載充電器，完成了集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器主電路的設計，給出了PFC AC/DC變換器的無模型非線性功率控制器設計及功率解耦電路的準PR控制器設計，給出了集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器的一體化解決方案。最后，通過系統建模與仿真研究證實了所建議的集成功率解耦電路的PFC AC/DC變換器不僅具有良好的二倍頻脈動功率吸收能力，而且兼具好的動靜態性能及魯棒性。此外，建議的PFC AC/DC變換器的一體化解決方案為薄膜電容代替電解電容提升提高車載充電器的安全可靠性及其使用壽命也提供了可能。鑒于上述，論文的研究對于車載充電器前級PFC AC/DC變換器的設計及控制均具有參考借鑒價值，可望實現直接的推廣應用。

參考文獻

[1] 朱光歡.電動汽車車載充電機及其相關技術研究[D].廣州：華南理工大學，2011.

[2] 王源卿，李紅梅.電動汽車車載充電機PFC AC/DC變換器設計[J].電子技術應用，2015，41(2)：152-155.

[3] 張國安，祁承超，張顯才.瞬時并聯補償消除開關電源高頻紋波的研究[J].電力電子技術，2008，42(6)：22-24.

[4] LI H，ZHANG K，ZHAO H，et al.Active power decoupling forhigh-power single-phase PWM rectifiers[J].IEEE Transactions on Power Electronics.，2013，28(3).

[5] FLIESS M，JOIN C.Model-free control[J].International Journal of Control，2013，86：2228-2252.

[6] MAJID P，PRITAM D，JOSEF D，et al.A new control approach based on the differential flatness theory for an AC/DC converter used in electric vehicles[J].IEEE Transactions on power electronics，2012，27(4).

[7] Hanju Cha，Trung-Kien Vu，Jae-Eon Kim.Design and control of proportional-resonant controller based photovoltaic power conditioning system[C].IEEE Energy Conversion Congress and Exposition，2009.

作者信息：

崔  超，李紅梅，張恒果，曹靈靈

（合肥工業大學 電氣與自動化工程學院，安徽 合肥230009）