有源功率因數(shù)校正技術研究

陳樹君，吳日光，陳建輝，于 洋

(北京工業(yè)大學 機械工程與應用電子技術學院術研究所，北京 100024)

有源功率因數(shù)校正技術研究

陳樹君，吳日光，陳建輝，于 洋

(北京工業(yè)大學 機械工程與應用電子技術學院術研究所，北京 100024)

介紹了有源功率因數(shù)校正電路的三種boost拓撲方案——硬開關、無源軟開關和有源軟開關，并采用三種拓撲分別研制了4 kW功率因數(shù)校正裝置，對三種拓撲方案做了效率、諧波畸變率、功率因數(shù)、EMI測試，對比分析測試結果，總結了各自的優(yōu)缺點，對三種拓撲的適用場合給出了建議。將研究的有源功率因數(shù)校正裝置應用于單相逆變焊接電源，并在實際焊接情況下對電源進行了輸入性能測試，結果表明所測裝置性能良好，整個焊接過程中輸入電流連續(xù)變化，呈正弦波狀，能夠跟隨負載的波動實時響應，完全達到了功率因素校正的目的。

功率因數(shù)；硬開關；無源／有源軟開關；EMI

0 前言

近年來，電能變換技術得到了飛速發(fā)展，已廣泛應用于電力、冶金、煤炭、通信、家電等領域?，F(xiàn)代電能變換裝置一般都是直接通過整流器與電力網(wǎng)連接，并使用大容量濾波電容器，所以存在輸入電流諧波高、從電網(wǎng)吸取無功功率、整流效率低等缺點。近幾年來，為了符合國際電工委員會61000-3-2的諧波準則，有源功率因數(shù)校正(APFC)技術因其效率高、控制方法相對簡單、成本低、體積小、適應性強的特點得到人們的普遍重視，成為研究熱點。目前針對傳統(tǒng)BOOST PFC電路的研究主要有兩個：一個是拓撲結構的進一步完善；二是控制方法[1]。其中拓撲結構主要是針對硬開關，無源軟開關和有源軟開關的研究，但各自都存在著一些優(yōu)缺點，到底在什么場合應用哪一種拓撲結構值得商榷。

隨著弧焊設備相關諧波標準在歐洲的推出，我國也應該積極應對?；『冈O備的功率相對較大，要求系統(tǒng)的響應速度較快，所以對弧焊設備的功率因數(shù)校正技術提出一些相對不同的要求，這樣就增加了設計的難度。但是相對三相設備而言，單相電源的諧波抑制是有很多電路可以借鑒的。

針對單相輸入電源，對硬開關、無源軟開關和有源軟開關三種拓撲結構進行簡要介紹和分析，并分別采用三種拓撲研制出4 kW功率因數(shù)校正裝置，對三者進行效率、諧波畸變率、功率因數(shù)、EMI測試，對比分析測試結果，總結了各自優(yōu)缺點，給出各自適用場合的建議。最后針對焊接電源，對本研究的有源功率因數(shù)校正裝置進行了輸入性能測試，結果表明該裝置達到了功率因數(shù)校正的目的。

1 三種拓撲結構實驗裝置介紹

分別采用三種拓撲結構完成實驗裝置，其中控制方法統(tǒng)一采用平均電流型控制，控制芯片采用的是TI公司的UCC3818和UC3855，其核心都是基于乘法器的平均電流控制，三種主電路拓撲的控制系統(tǒng)是根據(jù)其典型應用電路實現(xiàn)的，其中硬開關和無源軟開關通過UCC3818實現(xiàn)，有源軟開關通過UC3855實現(xiàn)。

1.1 傳統(tǒng)硬開關BOOST PFC

通常是在橋式整流之后，增加一個Boost電路，如圖1所示，通過對輸出電壓和電流進行采樣，經過運算后來控制功率元件的開關，使輸入的電流變成與電網(wǎng)電壓完全同相的正弦波，可以使電流畸變率降到5%以下，功率因數(shù)提高到0.99或更高。

圖1 傳統(tǒng)硬開關BOOST PFC

該電路功率器件少，成本低廉，但存著兩個問題：一是二極管反向恢復電流；二是開關管的開通關斷損耗。另外MOS管在開通關斷時，特別是開關頻率較高時，存在較大損耗[2-3]。

1.2 無源軟開關BOOST PFC

如圖2所示，相對傳統(tǒng)的BOOST PFC，該電路多了一個電感、二極管和電容。工作原理是：在開關管中串入一個電感，當開關管開通時，由于電感電流不能突變特性從而實現(xiàn)開關管VF1的零電流開通和二極管VD6零電壓關斷，減小di／dt，并且當開關管關斷時，電流通過二極管VD5給電容C1充電，由于電容電壓不能突變特性從而實現(xiàn)開關管VF1零電壓關斷，減小du／dt。從而減小開通關斷損耗和反向恢復損耗。

圖2 無源軟開關BOOST PFC

該電路功率器件相對較少，控制相對簡單，但二極管VD5損耗較大，需要選擇速度較高的二極管。

1.3 有源軟開關BOOST PFC

有源軟開關BOOST PFC電路原理如圖3所示，該電路增加了一個輔助開關管VF2，只在主開關管開通前的一小段時間內導通，以實現(xiàn)主開關管的零電壓開通。工作原理是：當輔助開關管開通時，電感L2電流線性上升到最大值時，通過二極管VD7的電流降到零，實現(xiàn)二級管VD7零電壓關斷，L2上的電流因L2和C1的諧振而繼續(xù)增加，C1電壓下降直至VF1的反并聯(lián)二極管(MOSFET的體二極管)導通。此時，VF1兩端電壓為零，在這個時候輔助開關VF2管關斷，主開關管VF1開通，從而實現(xiàn)VF1零電壓開通，當VF1關斷時，由于并聯(lián)在兩端的電容C1電壓不能突變，從而實現(xiàn)VF1的零電壓關斷。

圖3 有源軟開關BOOST PFC

該電路大大降低了主開關的開通關斷損耗，也解決了二極管VD7反向恢復問題，但輔助開關管VF2仍然是硬開關，會產生較大損耗，控制電路相對較復雜，成本較高[3-4]。

2 測試結果與分析

分別采用電源質量分析儀-FLUKE 43B、示波器-Agilent 54624A，對所研制的三種具有不同拓撲結構的功率因數(shù)校正裝置進行了測試，三種電路的功率電路主要器件參數(shù)相同，測試功率范圍為500～4 000 W。針對凱爾達的S-200單相焊機進行了輸入性能測試。

2.1 輸入功率測試

三種拓撲方案對諧波抑制的效果相當，下面以無源軟開關BOOST PFC為例進行測試。在輸入功率為500 W和4 000 W時，用電源質量分析儀-FLUKE 43B測得的輸入電壓和輸入電流波形如圖4、圖5所示，對應的電流諧波如圖6、圖7所示。

圖4 輸入功率為500 W的電壓、電流波形

圖5 輸入功率為4 000 W的電壓、電流波形

圖6 輸入功率為500 W的電流諧波

可以看出，輸入電流為正弦波，隨著輸入電流的變化，電流畸變率也很小，實現(xiàn)了功率因數(shù)校正的目的。

圖7 輸入功率為4 000 W的電流諧波

2.2 系統(tǒng)效率、電流畸變率和功率因數(shù)測試

圖8～圖10分別是硬開關拓撲、無源軟開關拓撲、有源軟開關拓撲統(tǒng)一在輸入電壓Uin＝220 V，輸出電壓Uout＝400 V時測到的系統(tǒng)效率、全功率因數(shù)、電流諧波畸變率隨輸入功率變化的曲線圖，輸入功率500～4 000 W。

圖8 系統(tǒng)效率

圖9 全功率因數(shù)

從效率曲線總體上來看，在3 000 W以下，系統(tǒng)效率由高到低依次為：硬開關、無源軟開關、有源軟開關；之后隨著功率繼續(xù)增加，系統(tǒng)效率變成有源軟開關最高，無源軟開關其次，硬開關最低。從試驗結果分析來看，這是因為MOSFET的損耗主要是由開通損耗引起的，關斷損耗很小，而硬開關拓撲由于本身存在升壓電感，所以在MOSFET開通的時候可以起到抑制電流的作用，一定程度上降低損耗；而無源軟開管雖然起到了降低軟開關開通關斷損耗，但是附加的電感、電容在能量的轉移過程中也會損耗；而有源軟開關雖然可以實現(xiàn)主開關的完全軟開通，但是它的輔助開關管是硬開關，存在損耗。所以到底誰的效率高，實際上與系統(tǒng)的輸出功率有很大關系。

圖10 電流畸變率

由圖9和圖10可知，三者的電流畸變率都是隨著功率的增加而逐漸降低，其中無源軟開關最小，而功率因數(shù)則逐漸增加，其中硬開關和無源軟開關的功率因數(shù)一直保持在99.9%不變。但是有源軟開關電流畸變率較大，這主要是因為輔助開關管的導通在一定程度上影響了主開關的占空比，從而造成校正效果變差，輸入電流諧波含量相對增大，功率因數(shù)較低。硬開關電流畸變率比無源軟開關高的主要原因是硬開關電路du／dt、di／dt較大，存在著EMI問題，對系統(tǒng)造成一定的影響，而無源軟開關正好解決這個問題，所以無源軟開關的電流畸變率最低。

2.3 EMI測試

在統(tǒng)一輸入功率2 000 W時用EMC分析儀AGILENT E7401A分別對三種拓撲結構實驗裝置進行傳導騷擾測試的結果如圖11～圖13所示，對三者的測試結果進行對比，如圖14所示。從中可以看出它們在低頻率范圍內，產生的EMI沒有多大區(qū)別，但是在高頻段，硬開關拓撲的產生EMI最大，無源軟開關拓撲其次，有源軟開關拓撲最小。

圖11 硬開關拓撲EMI測試

圖12 無源軟開關EMI測試

圖13 有源軟開關拓撲EMI測試

圖14 三種拓撲EMI測試結果對比

三種拓撲結構在成本、調試難易度和功率器件溫升測試的比較，如表1所示。

表1 三種拓撲結構在成本、調試難易度和功率器件溫升測試的比較

3 實際焊接情況下輸入性能測試

采用電流霍爾傳感器對帶有無源軟開關APFC裝置的焊接電源(焊條電弧焊，焊接規(guī)范80 A)和不帶APFC裝置的焊接電源進行了實際焊接情況下輸入電流和輸出電流對比測試。

(1)帶有APFC裝置的焊接電源的輸入電流和輸出電流測試。在單相焊接電源接上APFC裝置之后，在實際焊接工程中測試波形如圖15、圖16所示。其中圖15為引弧時的輸入電流和輸出電流波形，圖16為焊接過程中的輸入和輸出電流波形。結果表明，雖然在起弧瞬間輸出電流有很大尖峰，但是采用了APFC，使輸入電流變?yōu)檎也?，消除了電流尖峰，抑制了EMI，減小了對電網(wǎng)的干擾。在圖16中可以看到在整個焊接過程中輸入電流連續(xù)變化，呈正弦波狀，能夠跟隨負載的波動實時響應。

圖15 帶APFC引弧時的輸入電流和輸出電流波形

圖16 帶APFC焊接過程中的輸入和輸出電流波形

(2)不帶APFC裝置的焊接電源的輸入電流和輸出電流測試。其中圖17為引弧時候的輸入電流和輸出電流波形，圖18為焊接過程中的輸入和輸出電流波形。結果表明，在起弧瞬間輸出電流有很大尖峰，在整個焊接過程中輸入電流不連續(xù)，呈尖角波狀，電流峰值很大，畸變嚴重，對電網(wǎng)造成嚴重干擾。

圖17 不帶APFC引弧時的輸入電流和輸出電流波形

圖18 不帶APFC焊接過程中的輸入和輸出電流波形

4 結論

針對BOOST PFC的三種拓撲結構，建議在小功率(1 500 W以下)運用硬開關拓撲結構，中等功率(1 500～3 000 W)用無源軟開關拓撲結構，大功率(3 000 W以上)用有源軟開關拓撲結構，綜合考慮在單相中小功率焊接電源上應用時采用無源軟開關比較合適。在單相焊接電源接上功率因數(shù)變換器之后，進行了輸入性能測試，從結果可以看到，在整個焊接過程中輸入電流連續(xù)變化，呈正弦波狀態(tài)，能夠跟隨負載的波動實時響應。

[1]任 凌.有源功率因數(shù)校正技術綜述[J].電源世界，2005 (11)：32-35.

[2]張利娟.基于UC3854的兩級有源功率因數(shù)校正電路的研究[D].西安：西安理工大學，2008.

[3]李 燕.單相弧焊逆變電源的功率因數(shù)校正技術[D].北京：北京工業(yè)大學，2003.

[4]楊延軍.弧焊電源的單相功率因數(shù)校正[D].吉林：吉林大學，2006.

Technology research of active power factor correction

CHEN Shu-jun，WU Ri-guang，CHEN Jian-hui，YU Yang
(College of Mechanical Engineering＆Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

A brief description and analysis are introduced for three boost topology solutions，including hard switching，passive soft switching and active soft-switching of active power factor correction circuit，Using three topology developed 4 kW power factor correction device，do the tests for efficiency，harmonic distortion，power factor，EMI with the three topology programs and have a comparative analysis of test results，summarize their advantages and disadvantages，give the proposal where they apply.This studies about the active power factor correction device of the paper used in single-phase inverter welding power source，do the test for the input performance of power source in the case of the actual welding，the results showed good performance of the measured device，the current is continuous changes with sinusoida wave during the welding process，be able to real time response following load fluctuations，fully meet the power factor correction purposes.

power factor；hard-switching；passive／active soft switching；EMI

TG434.1

A

1001-2303(2012)03-0018-05

2011-11-15

陳樹君(1971—)，男，山東日照人，教授，博士，主要從事電力電子技術與電磁兼容性、特種焊接工藝及設備應用方面的科研和教學工作。