图腾柱PFC电路

随着电动汽车行业的快速发展，市场需求与行业间的竞争强度不断增加。目前全世界已经有许多公司和科研机构致力于车载充电机 PFC 的研发，国外的公司和团队包括Meta、Valeo、Kostal、Emerson、Brusa、Tesla等，国内的公司和团队包括华为、汇川、台达、联电、欣锐、威迈斯、富特、北汽新能源等。

国家工业和信息化部门发布的《电动汽车用传导式车载充电机技术条件》，明确提出了对车载充电机充电效率和功率因数的要求：在规定环境条件，额定输入电压和连续工作模式下，车载充电机的输出功率等于满载功率 50%情况下，充电效率应能达到 90%以上，功率因数不应小于 0.96；在输出功率等于满载功率100%情况下，功率因数不应小于 0.99。

图腾柱无桥 PFC 具有共模干扰噪声低，使用元器件数量少，效率高等优势，被大量应用于车载充电机的前级PFC。这段时间就针对图腾柱（MOSFET+二极管）、图腾柱（快管+慢管）进行了matlab/simulink仿真，在验证主电路的同时，验证了多种控制算法。两种电路的原理图如下：

仿真模型参数

设计了一个6.6kW图腾柱PFC主电路，输入电压AC220V 50Hz，输出电压DC400V，输出电压纹波峰峰值1.5%，MOSFET开关频率100kHz，负载6.6kW，输入功率因数>0.99，输入电流THD<3%，输入电流纹波系数0.05。

软件锁相环PLL

锁相环采用的是基于二阶广义积分器的SOGI-PLL，其锁相原理图如下，这里不赘述。

SOGI-PLL算法框图

双闭环PI平均电流控制

控制器由电压环和电流环组成，根据对电流环的控制又可分为峰值电流控制，滞环电流控制和平均电流控制。双闭环PI算法的电流环控制也叫做平均电流控制，控制器利用 PI 消除误差。

双闭环PI控制的核心，是通过输出占空比对开关管进行控制，调节电感电流的幅值和相位来控制输出电压。首先，根据输出电压采样电路采集到的输出电压与基准电压进行比较，生成输出电压误差信号。电压误差信号与输入电压相乘，生成基准电流信号，参考电流信号既具有输入电压的幅值和相位信息，也包含了输出电压的信息。通过电流采样电路采集到的电感电流与基准电流信号进行比较，最后通过电流环PI控制器生成占空比信号。

对于PFC双闭环PI控制，应该先设计内环，再设计外环；外环的输出为内环的输入，因此内环要快于外环。在控制系统稳定为前提下，内环需要快速响应，外环需要满足抗干扰性。

滞环电流控制（Bang-Bang）

滞环电流控制参考了CSDN论坛上的一篇博文，题目双向dcdc变换器simulink仿真_国产滞环电流控制的无桥图腾柱PFC介绍 第二部分：CCM和CRM PFC的实现原理和仿真模型》。我们在此基础上设计了滞环电流控制算法如下，并完成了仿真验证。

基于dq旋转坐标系解耦的控制

查阅了相关的专利和文献，发现基于dq旋转坐标系解耦的双闭环控制算法可以用到图腾柱上，因此设计了如下的控制算法，其控制框架与单相PWM整流器相似，dq轴双闭环PI控制，电流内环解耦，并采用电压前馈。

仿真结果

针对上面提到的图腾柱（MOSFET+二极管）和图腾柱（快管+慢管）两种图腾柱PFC电路，以及双闭环PI平均电流控制、滞环电流控制（Bang-Bang）、基于dq旋转坐标系解耦的控制三种算法，均进行了相应的仿真验证。下面仅列出图腾柱（MOSFET+二极管）PFC电路双闭环PI平均电流控制算法的仿真结果。

整流输出稳定的DC400V。

整流输出电压

整流输出电压峰峰值6V，符合电压纹波1.5% 的设计目标。

输入电压电流同相位，功率因数大于0.99，符合PF＞0.99的控制目标。

输入最大纹波电流2.6A，符合输入电流纹波系数0.05的设计目标。

输入电流谐波畸变率2.48%，符合THD＜3%的设计目标。

小结

针对目前电动汽车车载充电机的热门应用电路——图腾柱PFC，对“MOSFET+二极管”和“快管+慢管”两种图腾柱PFC电路设计了双闭环PI平均电流控制、滞环电流控制（Bang-Bang）和基于dq旋转坐标系解耦的控制三种控制算法，并进行了仿真验证，仿真结果符合设计目标。