基于控制环路解耦的快速瞬态响应脉冲序列控制PFC变换器研究

In this project, a control loops decoupling based pulse train control is proposed for power factor correction (PFC) converters to solve the problems of poor transient response of double closed-loops controlled PFC converters, which is caused by low voltage control loop bandwidth. By discretizing the duty cycle of the control pulse, two control degrees, duty cycle and combination of control pulses, are obtained. And then the voltage and current control loops are decoupled, fast transient response and high power factor of PFC converter are realized. In this project, the control principle, implementation model, control pulse generation and selection rule of the pulse train controlled PFC converter are studied; The decoupling mechanism of voltage and current control loops is revealed; Then, the stability, steady-state and transient performances are studied; A discrete iterative mapping model is established; Based on which, the nonlinear dynamic behavior of pulse train controlled PFC converter is studied; and the mechanism of the effects of converter parameters and control parameters distribution mode on system stability, steady state and transient performance are studied; Simulation models and experimental device are built to verify the theoretical analysis results. This project is believed to provide new thought and approaches for the design of PFC converters, and theoretical guidance for the engineering applications.

本项目提出基于控制环路解耦的功率因数校正(PFC)变换器脉冲序列控制技术，旨在解决双闭环控制PFC变换器电压控制环路带宽低、瞬态响应慢的问题。脉冲序列控制通过将控制脉冲的占空比离散化，获得占空比和组合方式两个控制自由度，将电压和电流控制环路解耦，实现PFC变换器的快速瞬态响应和高PF。本项目将研究脉冲序列控制PFC变换器的控制原理、实现方式以及控制脉冲的产生和选取规则；揭示电压和电流控制环路的解耦机理；研究脉冲序列控制PFC变换器的系统稳定性、稳态及瞬态性能；建立脉冲序列控制PFC变换器的离散迭代映射模型，研究其非线性动力学行为，揭示变换器参数及控制参数分布方式对系统稳定性和控制性能的影响机理；搭建仿真和实验平台，对理论分析进行验证。本项目的开展将为PFC变换器的控制系统设计提供新的思路，为工程应用提供理论指导。

传统双闭环控制功率因数校正(PFC)变换器存在电压控制环路带宽低、瞬态响应慢的问题。在输入或负载频繁变化的应用场合，较慢的瞬态响应将导致变换器的输出电压长时间大幅度波动，进而引起变换器系统性能下降、可靠性降低。而电压与电流控制环路相互耦合是双闭环控制PFC变换器无法兼顾高功率因数(PF)和快速瞬态响应两项性能的根本原因。为此，本项目创新性的从电压和电流控制环路解耦的角度，提出基于脉冲序列调制的PFC变换器离散占空比控制方案，通过揭示脉冲序列调制机理、离散占空比调节规律、控制性能影响因素与提升机制，有效解决了传统双闭环控制PFC变换器在控制精度、稳态性能和瞬态响应等性能指标之间的矛盾。.项目完成的主要研究内容及结果包括：① 研究了开关变换器的脉冲序列调制原理，揭示了其占空比离散-拟合机理及其控制环路的实现机制，基于此，结合PFC变换器的控制目标，提出了统一的基于脉冲序列调制的离散占空比控制环路设计方法；② 构建了具有单位功率因数的PFC变换器目标占空比函数，进而提出了三种基于脉冲序列调制的离散占空比控制方法，同时实现了PFC变换器的快速瞬态响应和高PF；研究了离散占空比控制PFC变换器的控制性能、占空比调节机制和控制规律，揭示了离散占空比控制电压和电流控制环路的解耦机理；③ 建立了离散占空比控制PFC变换器系统的离散时间迭代映射模型，探讨了其非线性动力学行为，揭示了离散占空比控制PFC变换器的主电路参数和离散占空比分布方式对PFC变换器的控制系统稳定性、稳态及瞬态控制性能的影响机制。项目组通过大量的分析、仿真及实验研究说明和验证了上述研究结论。结果证实，所提出的基于脉冲序列调制的PFC变换器离散占空比控制方法切实可行，优势明显。项目研究对提升PFC变换器系统的控制性能和降低控制成本具有十分重要的意义，同时也为优化相关电源产品性能、降低成本、节能减排提供理论支撑和技术积淀。