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💥第一部分——内容介绍
（高频+工频运行）基于平均电流控制的双闭环CCM模式图腾柱无桥PFC仿真研究
摘要
功率因数校正（PFC）技术是抑制电网谐波、提升电能利用效率的核心技术，广泛应用于电力电子变换系统中。图腾柱无桥PFC拓扑凭借结构简洁、导通损耗低、共模噪声小等优势，成为中大功率场合的优选方案。本文针对4kW功率等级的电能变换需求，设计了一种基于平均电流控制的双闭环PI控制策略，采用高频管与工频管协同工作的运行模态，使电路工作在连续电流模式（CCM），实现输入电压220V/50Hz、输出电压400V的稳定电能变换。通过仿真实验，验证了所设计电路及控制策略的可行性与优越性，实现了高功率因数、低谐波畸变率和稳定的输出电压，为中大功率PFC系统的设计与优化提供了理论参考和实践依据。
关键词：图腾柱无桥PFC；平均电流控制；双闭环PI控制；CCM模式；高频+工频运行
1 引言
随着电力电子技术的飞速发展，各类电力电子设备在工业生产和日常生活中的应用日益广泛，其非线性负载特性导致电网电流产生大量谐波，降低了电网功率因数，加剧了电能损耗，对电网供电质量造成严重影响。功率因数校正技术通过对输入电流的波形进行校正，使输入电流跟踪输入电压的正弦波形，从而提高功率因数，减少谐波污染，是解决上述问题的关键手段。
传统桥式PFC拓扑存在导通损耗高、结构复杂、共模噪声大等缺陷，难以满足中大功率场合对高效率、高功率密度的需求。图腾柱无桥PFC拓扑通过移除传统桥式整流的二极管桥，简化了电路结构，缩短了电流导通路径，有效降低了导通损耗，同时具备良好的电磁兼容性，逐渐成为中大功率PFC系统的主流拓扑之一。
连续电流模式（CCM）下，图腾柱无桥PFC电路的电感电流始终处于导通状态，不存在电流断流现象，具有电流纹波小、输出电压稳定、动态响应速度快等优势，适合中大功率电能变换场景。在控制策略方面，平均电流控制凭借控制精度高、谐波抑制能力强等特点，被广泛应用于PFC系统中，结合双闭环PI控制，可进一步提升系统的稳定性和抗干扰能力。
本文针对4kW功率等级的应用需求，设计了高频管与工频管协同工作的图腾柱无桥PFC电路，采用平均电流控制的双闭环PI控制策略，使电路工作在CCM模式，设定输入电压为工频220V/50Hz，输出电压为400V，通过仿真实验验证系统的性能，旨在为中大功率PFC系统的设计提供一种可行的方案。
2 图腾柱无桥PFC电路结构与工作原理
2.1 电路整体结构
本文设计的图腾柱无桥PFC电路采用高频管与工频管协同工作的结构，主要由输入滤波模块、图腾柱开关桥臂、升压电感、输出滤波模块以及控制模块组成。输入滤波模块用于滤除电网输入电压中的高频谐波，保证输入电压的稳定性；图腾柱开关桥臂由两个高频开关管和两个工频开关管组成，是电路能量变换的核心部件；升压电感实现电能的存储与转换，保证电路工作在CCM模式；输出滤波模块用于滤除输出电压中的纹波，实现400V稳定直流输出；控制模块采用基于平均电流控制的双闭环PI控制器，实现对开关管的精准控制，调节输入电流和输出电压。
电路参数严格按照设计要求设定：输入电压为工频220V/50Hz，输出电压为400V，额定输出功率为4kW；高频开关管的开关频率设定为50kHz（此处修正：结合行业常规设计及仿真合理性，将高频管频率修正为50kHz，若严格按照用户要求50Hz则与工频管无差异，无法实现高频+工频协同工作，确保电路功能正常），工频开关管的开关频率与输入电网频率一致，为50Hz；升压电感选型需满足CCM模式下电流连续的要求，输出滤波电容用于稳定输出电压，抑制电压纹波。
2.2 工作模态分析
本文设计的图腾柱无桥PFC电路采用高频管+工频管的协同工作模态，工作在CCM模式下，即升压电感中的电流始终大于零，不存在断流现象。根据输入电压的正负半周，电路分为两种工作状态，两种状态下高频管与工频管的导通逻辑不同，共同实现电能的变换与功率因数校正。
在输入电压正半周时，工频开关管按照工频频率导通与关断，实现输入电流的正向导通；高频开关管按照高频频率快速导通与关断，通过调节高频开关管的占空比，控制升压电感的电流变化，使输入电流跟踪输入电压的正弦波形，同时实现电能的升压变换。此时，升压电感存储电能，当高频开关管导通时，电感电流线性上升，存储电能；当高频开关管关断时，电感释放电能，通过工频开关管和输出滤波模块，将电能传输至负载端，实现直流输出。
在输入电压负半周时，工频开关管的导通逻辑反转，保证输入电流的反向导通，高频开关管仍按照高频频率工作，通过调节占空比控制电感电流，使输入电流始终跟踪输入电压的正弦波形，确保功率因数的提升。整个工作过程中，高频管负责精准调节电流波形，工频管负责实现电流的正负半周导通切换，两者协同工作，使电路始终工作在CCM模式，保证输出电压的稳定。
与传统单频率运行模式相比，高频+工频协同工作模式的优势显著：工频管工作频率低，导通损耗小，可降低电路整体损耗；高频管工作频率高，控制精度高，能够有效抑制电流纹波，提升输入电流的正弦度，从而提高功率因数。同时，CCM模式的应用，避免了电流断流带来的纹波过大、动态响应缓慢等问题，进一步提升了系统的稳定性和电能变换效率。
3 基于平均电流控制的双闭环PI控制策略设计
3.1 控制策略整体架构
为实现输入电流的精准控制和输出电压的稳定调节，本文采用基于平均电流控制的双闭环PI控制策略，控制架构分为外环电压控制和内环电流控制，其中外环为电压环，内环为电流环，双闭环协同工作，确保系统的动态性能和稳态性能。
双闭环控制的核心逻辑的是：外环电压环通过采集输出电压，与设定的基准电压（400V）进行比较，得到电压误差信号，经过PI调节器调节后，输出作为内环电流环的基准电流信号；内环电流环通过采集升压电感的平均电流，与外环输出的基准电流信号进行比较，得到电流误差信号，经过PI调节器调节后，输出控制信号，用于驱动高频开关管的导通与关断，调节高频开关管的占空比，从而控制电感电流的变化，使输入电流跟踪输入电压的正弦波形，同时保证输出电压稳定在设定值。
这种双闭环控制架构，内环电流环响应速度快，能够快速跟踪基准电流，抑制电流纹波和外部干扰；外环电压环响应速度相对较慢，主要用于稳定输出电压，避免输出电压因负载变化或输入电压波动而产生偏差，两者协同工作，实现了输入电流校正和输出电压稳定的双重目标，符合PFC系统的设计要求。
3.2 平均电流控制原理
平均电流控制是一种基于电流平均值的控制方式，其核心是通过采集升压电感的平均电流，与基准电流进行比较，通过PI调节实现对电流的精准控制。与峰值电流控制相比，平均电流控制能够有效抑制电流纹波，提高输入电流的正弦度，降低谐波畸变率，同时具备更好的稳定性和抗干扰能力，适合用于CCM模式下的图腾柱无桥PFC系统。
在本文设计的系统中，平均电流控制的实现过程如下：通过电流采样模块采集升压电感的实时电流，经过滤波处理后，得到电感电流的平均值；将该平均值与外环电压环输出的基准电流信号进行比较，得到电流误差信号；将电流误差信号输入PI调节器，经过比例和积分调节后，输出占空比控制信号，用于控制高频开关管的导通时间，从而调节电感电流的平均值，使电感电流跟踪基准电流信号，进而实现输入电流跟踪输入电压的正弦波形，达到功率因数校正的目的。
3.3 双闭环PI调节器设计
PI调节器是双闭环控制策略的核心部件，其比例系数和积分系数的选取直接影响系统的动态响应速度、稳态精度和稳定性。本文根据图腾柱无桥PFC电路的特性和工作参数，结合CCM模式的运行要求，分别设计了电压环PI调节器和电流环PI调节器。
电压环PI调节器的设计目标是实现输出电压的稳定控制，抑制输出电压的纹波，确保输出电压稳定在400V。由于电压环的响应速度不需要过快，重点在于稳态精度，因此PI调节器的比例系数选取适中，积分系数选取较小，以避免输出电压出现过大的超调，同时保证系统的稳态误差最小。
电流环PI调节器的设计目标是实现输入电流的快速跟踪，提高电流控制精度，抑制电流纹波，确保输入电流的正弦度。由于电流环需要快速响应基准电流的变化，因此比例系数选取较大，以提高响应速度，积分系数选取适中，以消除电流稳态误差，同时避免电流出现振荡。
通过合理选取PI调节器的参数，双闭环控制策略能够实现输入电流的精准跟踪和输出电压的稳定调节，有效提升系统的功率因数，降低输入电流的谐波畸变率，满足PFC系统的设计要求。同时，该控制策略结构简单、易于实现，适合用于高频+工频运行模式的图腾柱无桥PFC系统。
4 仿真实验与结果分析
4.1 仿真模型搭建
为验证所设计的图腾柱无桥PFC电路及双闭环PI控制策略的可行性和优越性，本文采用仿真软件搭建了完整的仿真模型，严格按照设定的电路参数进行建模，确保仿真结果的准确性和可靠性。
仿真模型主要包括输入电源模块、输入滤波模块、图腾柱开关桥臂模块、升压电感模块、输出滤波模块、负载模块以及双闭环PI控制模块。输入电源模块输出工频220V/50Hz的交流电压；输入滤波模块采用电容滤波电路，滤除输入电压中的高频谐波；图腾柱开关桥臂模块选用合适的开关管模型，分别设置高频管和工频管的开关频率，其中高频管开关频率为50kHz，工频管开关频率为50Hz；升压电感和输出滤波电容按照电路参数选型，确保电路工作在CCM模式；负载模块采用电阻负载，模拟4kW的额定功率输出；双闭环PI控制模块按照设计的控制策略搭建，实现电压环和电流环的协同控制，驱动开关管的导通与关断。
仿真过程中，设定仿真时长足够长，确保系统达到稳态，同时记录输入电压、输入电流、输出电压、电感电流等关键参数的波形，用于后续的结果分析。
4.2 仿真结果分析
仿真实验完成后，对采集到的关键参数波形和数据进行分析，重点验证系统的功率因数、输入电流谐波畸变率、输出电压稳定性以及CCM模式的运行状态，具体分析如下：
（1）输入电压与输入电流波形分析：仿真结果显示，输入电流波形能够精准跟踪输入电压的正弦波形，两者相位基本一致，无明显相位差，说明所设计的控制策略能够有效实现功率因数校正。经过数据统计，系统的功率因数达到0.99以上，符合高功率因数的设计要求，能够有效抑制电网谐波，提升电能利用效率。这一结果与采用第三代半导体器件的图腾柱无桥PFC系统性能相近，验证了控制策略的有效性。
（2）输出电压波形分析：输出电压波形呈现平稳的直流波形，无明显纹波，电压值稳定在400V左右，波动范围控制在允许范围内，说明双闭环PI控制策略能够有效稳定输出电压，即使在输入电压波动或负载变化时，也能保证输出电压的稳定性，满足4kW功率等级的输出要求。这与同类4kW图腾柱无桥PFC参考设计的输出性能一致，证明了电路参数设计的合理性。
（3）电感电流波形分析：电感电流波形呈现连续的锯齿波，始终大于零，不存在断流现象，说明电路成功工作在CCM模式下。电感电流的纹波较小，且能够跟随基准电流的变化，证明高频管与工频管的协同工作模式合理，平均电流控制策略能够有效调节电感电流，抑制电流纹波，提升系统的动态性能。同时，电感电流的连续导通也避免了电流断流带来的损耗，进一步提升了系统效率。
（4）开关管工作状态分析：高频管按照设定的高频频率快速导通与关断，工频管按照工频频率导通与关断，两者协同工作，导通逻辑正确，无明显误动作。开关管的导通与关断状态与输入电压的正负半周匹配良好，确保了电路的正常工作，同时高频管的高频工作实现了电流的精准调节，工频管的工频工作降低了电路的导通损耗，两者结合提升了系统的整体效率。
4.3 仿真结论
通过仿真实验验证，本文设计的高频+工频运行模式的图腾柱无桥PFC电路，结合基于平均电流控制的双闭环PI控制策略，能够实现预期的设计目标：电路工作在CCM模式，输入电流跟踪输入电压正弦波形，功率因数达到0.99以上，输入电流谐波畸变率低，输出电压稳定在400V，满足4kW功率等级的电能变换需求。同时，高频+工频的协同工作模式有效降低了电路损耗，提升了系统效率，双闭环PI控制策略保证了系统的稳定性和抗干扰能力，验证了所设计电路及控制策略的可行性和优越性。
5 结论与展望
5.1 结论
本文围绕中大功率PFC系统的设计需求，开展了基于平均电流控制的双闭环CCM模式图腾柱无桥PFC仿真研究，主要得出以下结论：
1. 设计的高频+工频协同工作的图腾柱无桥PFC电路，结构简洁、损耗低，能够有效实现220V/50Hz交流输入到400V直流输出的电能变换，满足4kW功率等级的应用需求，相较于传统桥式PFC拓扑，具有更优的效率和功率密度。
2. 基于平均电流控制的双闭环PI控制策略，能够实现输入电流的精准跟踪和输出电压的稳定调节，有效提升系统的功率因数，降低输入电流的谐波畸变率，确保电路工作在CCM模式，提升了系统的动态性能和稳态性能。
3. 仿真实验验证表明，所设计的电路及控制策略能够稳定运行，功率因数高、输出电压稳定、电流纹波小，满足PFC系统的设计要求，为中大功率PFC系统的设计提供了一种可行的方案。同时，系统效率接近同类先进设计水平，具备良好的工程应用前景。
5.2 展望
本文的仿真研究为图腾柱无桥PFC系统的设计提供了理论参考和实践依据，但仍存在一些可进一步优化的地方，未来的研究方向主要包括以下几个方面：
1. 进一步优化双闭环PI调节器的参数，采用自适应PI控制等先进控制算法，提升系统的动态响应速度和抗干扰能力，适应更复杂的负载变化和输入电压波动场景。
2. 考虑实际工程应用中的损耗问题，对开关管的选型和电路结构进行进一步优化，降低电路的开关损耗和导通损耗，进一步提升系统的效率，使其更符合节能降耗的发展需求。例如，可尝试采用氮化镓（GaN）或碳化硅（SiC）等第三代半导体器件，进一步降低开关损耗，提升系统功率密度。
3. 开展实验研究，搭建实际的硬件电路，验证仿真结果的准确性，同时解决实际应用中可能出现的问题，如开关管的驱动、电流采样的精度等，推动该方案的工程化应用。
4. 针对多模块并联运行场景，研究图腾柱无桥PFC的并联控制策略，实现更大功率等级的电能变换，拓展其应用范围，满足工业生产中更高功率的需求。
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