📚 课程目录第2章平均电流控制PFC仿真

2. 平均电流控制PFC仿真

任务定义

本案例实现基于平均电流控制的Boost PFC变换器仿真模型。控制目标为：在220V/50Hz交流输入、400V直流输出条件下，使输入电流跟踪输入电压波形，实现单位功率因数。仿真平台采用PLECS或Simulink/Simscape，以下给出与平台无关的数学控制模型及PLECS实现步骤。

平均电流控制原理

平均电流控制由电压外环和电流内环构成。电压环输出为电流幅值指令，电流环使电感电流平均值跟踪正弦参考。电流环采用PI调节器，其输出经PWM调制驱动开关管。与峰值电流控制相比，平均电流控制对噪声不敏感，且无需斜坡补偿，适合连续导通模式（CCM）运行。

控制参数设计

设计规格：输入220Vrms/50Hz，输出400V/500W，开关频率100kHz，电感L=1.5mH，输出电容C=470μF。电流环穿越频率设为10kHz（开关频率的1/10），相位裕度≥50°；电压环穿越频率设为10Hz，保证输入电流THD满足要求。

仿真模型实现

以下为PLECS模型搭建步骤，控制部分采用C-Script实现数字控制算法，便于后续移植到DSP。

// PLECS C-Script: 平均电流控制PFC
// 输入: v_in(整流后电压), v_out(输出电压), i_L(电感电流)
// 输出: duty(占空比)

// 参数定义
#define V_REF      400.0    // 输出电压参考
#define Kp_V       0.05     // 电压环比例
#define Ki_V       2.0      // 电压环积分
#define Kp_I       0.15     // 电流环比例
#define Ki_I       500.0    // 电流环积分
#define V_FF_MAX   0.9      // 前馈限幅
#define TS         10e-6    // 采样周期(100kHz)

// 状态变量
static float int_v = 0.0;   // 电压环积分
static float int_i = 0.0;   // 电流环积分
static float prev_v_out = 0.0;

// 主函数
float pfc_control(float v_in, float v_out, float i_l) {
    float v_err, i_ref, i_err, duty, v_feedforward;
    
    // 电压环PI
    v_err = V_REF - v_out;
    int_v += Ki_V * v_err * TS;
    if (int_v < 0) int_v = 0;  // 抗积分饱和
    i_ref = Kp_V * v_err + int_v;
    
    // 输入电压前馈(提高动态响应)
    if (v_in > 20) {
        v_feedforward = 1.0 - v_in / V_REF;
        if (v_feedforward > V_FF_MAX) v_feedforward = V_FF_MAX;
        if (v_feedforward < 0) v_feedforward = 0;
    } else {
        v_feedforward = 0;
    }
    
    // 电流环PI
    i_err = i_ref - i_l;
    int_i += Ki_I * i_err * TS;
    if (int_i > 0.5) int_i = 0.5;
    if (int_i < -0.5) int_i = -0.5;
    duty = Kp_I * i_err + int_i + v_feedforward;
    
    // 限幅
    if (duty > 0.95) duty = 0.95;
    if (duty < 0.05) duty = 0.05;
    
    return duty;
}

PLECS电路搭建

电路拓扑：交流源→整流桥→Boost电感→开关管(MOSFET)→二极管→输出电容与负载。控制部分：采样整流后电压v_in、输出电压v_out、电感电流i_l，送入C-Script计算占空比，经PWM调制器（100kHz锯齿波比较）驱动开关管。

仿真参数设置

求解器: 固定步长, 步长=1e-6s (开关周期1/100)
仿真时间: 0.2s (观察稳态波形)
负载: 电阻R=320Ω (500W@400V)

验证方法与判定标准

运行仿真后，观察以下波形并记录数据：

输入电流波形：稳态时（0.1s后）输入电流应为正弦波，与输入电压同相位；
功率因数：使用PLECS的功率分析工具测量PF值，要求PF>0.99；
输出电压：稳定在400V±5%范围内，纹波<10V；
THD：输入电流总谐波失真应<5%。

判定标准：若PF≥0.99且输出电压稳定在380~420V，则平均电流控制策略验证通过。

预期仿真结果

根据控制参数设计，稳态时输入电流峰值约为3.2A（对应500W输入功率），与220V正弦电压同相。输出电压经0.05s动态调节后稳定在400V附近。电流环带宽10kHz保证对100kHz开关纹波的有效抑制，电压环带宽10Hz确保输入电流波形畸变小。

关键注意事项

电流采样需使用LTSpice/PLECS中的零阶保持器模拟ADC采样，采样频率与控制频率一致（100kHz）；
电压环积分器需设置限幅（0~2A），防止启动过冲；
整流后电压v_in存在100Hz纹波，前馈项可有效抑制其对电流波形的影响；
实际DSP实现时，需将C-Script代码改为中断服务函数，并注意Q格式定点数转换。