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摘要：为了减少电动汽车充电时对电网的谐波污染，必须对充电设备进行功率因数较正。针对3kW的电动汽车车载充电机，前级PFC电路采用了交错并联Boost PFC拓扑和数字平均电流法的双闭环控制设计方案。着重分析了主电路拓扑结构、器件设计以及数字化的控制策略。最后，通过MATLAB仿真与3.2kW样机验证，数字控制的交错并联Boost PFC电路实现功率因数为1，输出电压纹波与输入电流纹波均低于5%，满足车载充电的同时减少电网的谐波污染。
关键词：数字控制；交错并联Boost；PFC；车载充电器
中图分类号：TM46 文献标志码：A文章编号：1672-1098（2017）04-0066-05
Abstract：In order to reduce harmonic pollution on the grid when electric vehicle is charging， electric Vehicle Charger must have power factor correction. In terms of electric vehicle charger rated power 3 kW， the interleaved parallel Boost PFC topology and the double closed-loop control based on digital average current control were selected to carry out PFC circuit. The design process of the PFC circuit including device parameters configuration and control strategy was investigated in this paper. Finally， according to the MATLAB simulation and a 3.2kW experimental prototype， the circuit implementation power factor of the interleaved parallel Boost PFC circuit by digital control was 1， and the output voltage and input current ripple was both less than 5%， which meet the vehicle charging requirement and meanwhile reduce the harmonic pollution.
Key words：Digital Control； Interleaved parallel Boost； PFC； Electric Vehicle Charger
有源功率因數校正技术（Power Factor Correction，PFC）是抑制电流谐波、提高功率因数、降低电力电子装置对电网污染的有效方法[1-2]。随着近年来新能源电动汽车的广泛推广，车载充电机设备加入功率因数校正电路，可以大大的减少对交流电网的谐波污染[3-5]。目前车载充电机应用最广泛的是PFC电路加DC/DC电路的两级硬件方案[6-8]，该方案中PFC电路采用传统的Boost升压电路拓扑，具有专门的模拟控制芯片[9]。该方案电路具有控制复杂、不易调试与维护等缺点，且传统的Boost升压电路已不满足功率等级提高的要求，而交错并联Boost PFC拓扑结构具有减少的输入电流纹波、降低功率器件电流应力且提升功率等级等[10-13]优点，被应用于在中大功率的电子设备中。
本文针对传统家用电动汽车的车载充电设备，车载电池容量40A/h、功率3 kW的车载充电机，设计一台功率3.2 kW交错并联Boost PFC电路样机，重点分析主电路工作原理、主电路参数计算以及控制方法；同时采用数字化实现平均电流双闭环控制策略。最后，通过仿真和实验进行验证。
基于数字控制的PFC变换器采用的是两路单管Boost PFC交错并联的拓扑结构，既可降低开关器件的平均电流应力和输入电流纹波，同时又大大减小了单个电感体积。交错并联Boost PFC的电路结构如图1所示。
交错并联Boost PFC由功率管Q1/Q2、二极管D1/D2、电感L1/L2以及滤波电容C组成，输入侧还包括输入EMI滤波、缓启输入继电器以及二极管全波整流电路。PFC升压输出为390 V/3 200 W直流电，功率开关管的工作频率为50kHz。交错并联boost PFC主电路的参数设计如下。
1.1PFC电感设计
功率因数校正电路的主要要求是：控制电感电流，使得其输入电流基波和输入电压同相位，达到功率因数为1的目标；同时确保直流输出电压的稳定。PFC数字控制策略采用平均电流控制方法[14-19]，其控制结构如图2所示。
利用MATLAB软件对本文所设计的电路与控制环设计进行仿真分析[20]，验证了拓扑结构与控制算法的正确性。交错并联boost PFC的输出电压为390V，输出功率为3.2kW，电压环控制周期为10kHz，电流环控制周期为50kHz，功率管的开关频率为50kHz，其它器件参数与计算一致，所带的负载为固定阻性负载。电压、电流环及直流电压采集IIR滤波器的控制图如图3所示。
仿真结果如图4和图5所示。为了方便与输入电流波形进行比较，图4中的交流输入电压波形显示缩小为真实值的20%。仿真结果表明输入电流波形很好的跟踪输入电压波形的相位，其输入功率因数为1，且保持很好的正弦特性。图5中，直流输出电压纹波小，具有很高的稳定性。
实际的样机中采用TI公司的C2000系列DSP芯片，功率开关管的型号为ST公司的STW45NM60，开关频率为50kHz，控制环的设计与仿真一致。直流输出电压为390 V，输出功率为3.2 kW，所带的负载为固定功率负载。直流输出电压采样处理过程中，设计一个IIR滤波，抑制输出电压的二次谐波作用在电流环上，为电流环提供稳定基准。实际电压与电流波形如图6所示。
图6中，由于电流的基准波形参考交流输入电压的瞬时值，而不是标准的正弦波形，电流输入波形完全对应于电压波形，使其引入了一定的电流谐波的缺点，但优点在于，电网的输入电压波形频率抖动的时候，可以很好的达到功率因数要求。
本文对数字化交错并联BOOST PFC电路在车载充电机中的应用进行了研究。通过仿真与实验结果表明：
1）充电设备功率因数达到1，减少了电网的谐波污染；
2）降低了开关器件的平均电流应力，提高了功率等级；
3）输出电压纹波与输入电流纹波小且均低于5%；
4）数字化实现使得系统控制简单、可靠性高及智能化程度高。
参考文献：
[1]ABRAHAM I PRESSMAN.开关电源设计[M].北京：电子工业出版社，2013：427-434.
[2]贲洪奇，张继红，刘桂花，等.开关电源中的有源功率因数校正技术[M].北京：机械工业出版社，2010：
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[3]王曉明，侯福深.中国电动汽车产业发展现状[J].中国发展评论（中文版）， 2012（4）：33-38
[4]江友华.电动汽车智能充电器的设计与实现[J].电力电子技术，2012，46（2）：38-40.
[5]段朝伟，徐海刚.电动汽车智能充电系统的设计与实现[J].电子器件，2013， 36（2）：256-259.
[6]陈小虎，陈息坤.新型混合动力电动汽车车载充电机的研究[J].电气传动自动化，2015，37（6）：21-25.
[7]刘湘，王艳，赵立勇.基于DSP控制的大功率车载充电机的研制[J].电子设计工程，2015，23（4）：24-27.
[8]杨婷，景占荣，高田.电动汽车车载智能快速充电器的研究与设计[J].现代电力，2010，27（5）：62-66.
[9]孙宝文，王志强，李广全，等. 单级功率因数校正（PFC）变换器的设计[J]. 通信电源技术， 2003，19（4）：5-7.
[10]赵相瑜，袁继敏，王艳硕.交错并联 Boost PFC 电路的应用研究[J]. 电力电子技术，2010，44（1）： 65-67.
[11]李季，李洪珠.耦合电感在交错并联 Boost 变换器中的应用研究[J]. 长春工业大学学报，2007，28（4）： 382-386.
[12]NUSSBAUMER T， RAGGL K， KOLAR J W. Design Guidelines for Interleaved Single-Phase Boost PFC Circuits [J]. Industrial Electronics IEEE Transactions on， 2009， 56（7）：2 559-2 573.
[13]ISHIURA N， SAWADA H， YAJIMA S. Analysis， Design and Implementation of an Interleaved Single-Stage AC/DC ZVS Converters [J]. Journal of Power Electronics， 2012， 12（2）：258-267.
[14]文雪峰，佃松宜，邓翔，等.基于数字双环控制的功率因数校正控制算法[J].电力系统自动化，2014，38（3）：36-40.
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[16]OH C Y， KIM D H， WOO D G， et al. A High-Efficient Nonisolated Single-Stage On-Board Battery Charger for Electric Vehicles [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2013， 28（12）：5 746-5 757.
[17]张卫平. 开关变换器的建模与控制[M].北京：中国电力出版社，2005：78-90.
[18]CLARK C W， MUSAVI F， EBERLE W. Digital DCM Detection and Mixed Conduction Mode Control for Boost PFC Converters [J]. Power Electronics IEEE Transactions on， 2014， 29（1）：347-355.
[19]梅寒杰，何乐年.一种新颖的高功率因素PFC的数字控制方法[J].电源技术，2015，39（2）：360-362.
[20]任海鹏，刘丁.基于Matlab的PFC Boost变换器仿真研究和实验验证[J].电工技术学报，2006，21（5）：29-35.
（责任编辑：李丽，编辑：丁寒）
关键词：数字控制；交错并联Boost；PFC；车载充电器
中图分类号：TM46 文献标志码：A文章编号：1672-1098（2017）04-0066-05
Abstract：In order to reduce harmonic pollution on the grid when electric vehicle is charging， electric Vehicle Charger must have power factor correction. In terms of electric vehicle charger rated power 3 kW， the interleaved parallel Boost PFC topology and the double closed-loop control based on digital average current control were selected to carry out PFC circuit. The design process of the PFC circuit including device parameters configuration and control strategy was investigated in this paper. Finally， according to the MATLAB simulation and a 3.2kW experimental prototype， the circuit implementation power factor of the interleaved parallel Boost PFC circuit by digital control was 1， and the output voltage and input current ripple was both less than 5%， which meet the vehicle charging requirement and meanwhile reduce the harmonic pollution.
Key words：Digital Control； Interleaved parallel Boost； PFC； Electric Vehicle Charger
有源功率因數校正技术（Power Factor Correction，PFC）是抑制电流谐波、提高功率因数、降低电力电子装置对电网污染的有效方法[1-2]。随着近年来新能源电动汽车的广泛推广，车载充电机设备加入功率因数校正电路，可以大大的减少对交流电网的谐波污染[3-5]。目前车载充电机应用最广泛的是PFC电路加DC/DC电路的两级硬件方案[6-8]，该方案中PFC电路采用传统的Boost升压电路拓扑，具有专门的模拟控制芯片[9]。该方案电路具有控制复杂、不易调试与维护等缺点，且传统的Boost升压电路已不满足功率等级提高的要求，而交错并联Boost PFC拓扑结构具有减少的输入电流纹波、降低功率器件电流应力且提升功率等级等[10-13]优点，被应用于在中大功率的电子设备中。
本文针对传统家用电动汽车的车载充电设备，车载电池容量40A/h、功率3 kW的车载充电机，设计一台功率3.2 kW交错并联Boost PFC电路样机，重点分析主电路工作原理、主电路参数计算以及控制方法；同时采用数字化实现平均电流双闭环控制策略。最后，通过仿真和实验进行验证。
1交错并联BOOST PFC的设计
基于数字控制的PFC变换器采用的是两路单管Boost PFC交错并联的拓扑结构，既可降低开关器件的平均电流应力和输入电流纹波，同时又大大减小了单个电感体积。交错并联Boost PFC的电路结构如图1所示。
交错并联Boost PFC由功率管Q1/Q2、二极管D1/D2、电感L1/L2以及滤波电容C组成，输入侧还包括输入EMI滤波、缓启输入继电器以及二极管全波整流电路。PFC升压输出为390 V/3 200 W直流电，功率开关管的工作频率为50kHz。交错并联boost PFC主电路的参数设计如下。
1.1PFC电感设计
2控制系统设计
功率因数校正电路的主要要求是：控制电感电流，使得其输入电流基波和输入电压同相位，达到功率因数为1的目标；同时确保直流输出电压的稳定。PFC数字控制策略采用平均电流控制方法[14-19]，其控制结构如图2所示。
3MATLAB仿真
利用MATLAB软件对本文所设计的电路与控制环设计进行仿真分析[20]，验证了拓扑结构与控制算法的正确性。交错并联boost PFC的输出电压为390V，输出功率为3.2kW，电压环控制周期为10kHz，电流环控制周期为50kHz，功率管的开关频率为50kHz，其它器件参数与计算一致，所带的负载为固定阻性负载。电压、电流环及直流电压采集IIR滤波器的控制图如图3所示。
仿真结果如图4和图5所示。为了方便与输入电流波形进行比较，图4中的交流输入电压波形显示缩小为真实值的20%。仿真结果表明输入电流波形很好的跟踪输入电压波形的相位，其输入功率因数为1，且保持很好的正弦特性。图5中，直流输出电压纹波小，具有很高的稳定性。
4实验结果
实际的样机中采用TI公司的C2000系列DSP芯片，功率开关管的型号为ST公司的STW45NM60，开关频率为50kHz，控制环的设计与仿真一致。直流输出电压为390 V，输出功率为3.2 kW，所带的负载为固定功率负载。直流输出电压采样处理过程中，设计一个IIR滤波，抑制输出电压的二次谐波作用在电流环上，为电流环提供稳定基准。实际电压与电流波形如图6所示。
图6中，由于电流的基准波形参考交流输入电压的瞬时值，而不是标准的正弦波形，电流输入波形完全对应于电压波形，使其引入了一定的电流谐波的缺点，但优点在于，电网的输入电压波形频率抖动的时候，可以很好的达到功率因数要求。
5结论
本文对数字化交错并联BOOST PFC电路在车载充电机中的应用进行了研究。通过仿真与实验结果表明：
1）充电设备功率因数达到1，减少了电网的谐波污染；
2）降低了开关器件的平均电流应力，提高了功率等级；
3）输出电压纹波与输入电流纹波小且均低于5%；
4）数字化实现使得系统控制简单、可靠性高及智能化程度高。
参考文献：
[1]ABRAHAM I PRESSMAN.开关电源设计[M].北京：电子工业出版社，2013：427-434.
[2]贲洪奇，张继红，刘桂花，等.开关电源中的有源功率因数校正技术[M].北京：机械工业出版社，2010：
5-236.
[3]王曉明，侯福深.中国电动汽车产业发展现状[J].中国发展评论（中文版）， 2012（4）：33-38
[4]江友华.电动汽车智能充电器的设计与实现[J].电力电子技术，2012，46（2）：38-40.
[5]段朝伟，徐海刚.电动汽车智能充电系统的设计与实现[J].电子器件，2013， 36（2）：256-259.
[6]陈小虎，陈息坤.新型混合动力电动汽车车载充电机的研究[J].电气传动自动化，2015，37（6）：21-25.
[7]刘湘，王艳，赵立勇.基于DSP控制的大功率车载充电机的研制[J].电子设计工程，2015，23（4）：24-27.
[8]杨婷，景占荣，高田.电动汽车车载智能快速充电器的研究与设计[J].现代电力，2010，27（5）：62-66.
[9]孙宝文，王志强，李广全，等. 单级功率因数校正（PFC）变换器的设计[J]. 通信电源技术， 2003，19（4）：5-7.
[10]赵相瑜，袁继敏，王艳硕.交错并联 Boost PFC 电路的应用研究[J]. 电力电子技术，2010，44（1）： 65-67.
[11]李季，李洪珠.耦合电感在交错并联 Boost 变换器中的应用研究[J]. 长春工业大学学报，2007，28（4）： 382-386.
[12]NUSSBAUMER T， RAGGL K， KOLAR J W. Design Guidelines for Interleaved Single-Phase Boost PFC Circuits [J]. Industrial Electronics IEEE Transactions on， 2009， 56（7）：2 559-2 573.
[13]ISHIURA N， SAWADA H， YAJIMA S. Analysis， Design and Implementation of an Interleaved Single-Stage AC/DC ZVS Converters [J]. Journal of Power Electronics， 2012， 12（2）：258-267.
[14]文雪峰，佃松宜，邓翔，等.基于数字双环控制的功率因数校正控制算法[J].电力系统自动化，2014，38（3）：36-40.
[15]SHEN M S， KANG W Y， QIAN Z M. Average modeling of Single Stage Flyback PFC+Flyback DC/DC converter[J]. Journal of Zhejiang University-SCIENCE A， 2002， 3（1）：77-81.
[16]OH C Y， KIM D H， WOO D G， et al. A High-Efficient Nonisolated Single-Stage On-Board Battery Charger for Electric Vehicles [J]. IEEE Transactions on Power Electronics， 2013， 28（12）：5 746-5 757.
[17]张卫平. 开关变换器的建模与控制[M].北京：中国电力出版社，2005：78-90.
[18]CLARK C W， MUSAVI F， EBERLE W. Digital DCM Detection and Mixed Conduction Mode Control for Boost PFC Converters [J]. Power Electronics IEEE Transactions on， 2014， 29（1）：347-355.
[19]梅寒杰，何乐年.一种新颖的高功率因素PFC的数字控制方法[J].电源技术，2015，39（2）：360-362.
[20]任海鹏，刘丁.基于Matlab的PFC Boost变换器仿真研究和实验验证[J].电工技术学报，2006，21（5）：29-35.
（责任编辑：李丽，编辑：丁寒）