開(kāi)關(guān)電源功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)與仿真

中圖分類(lèi)號(hào)：TM933 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

摘要：論文分析了開(kāi)關(guān)電源的原理、分類(lèi)、應(yīng)用領(lǐng)域及發(fā)展趨勢(shì)，然后對(duì)有源功率因數(shù)校正的基本原理，基本變換電路進(jìn)行了比較和分析，在此基礎(chǔ)上，明確了本文研究的對(duì)象為平均電流控制的Boost型APFC電路。最后，設(shè)計(jì)完成了基于UC3854的250W Boost型APFC電路，并用Saber對(duì)電路進(jìn)行了建模和仿真分析。在電路原理分析及電路設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上，運(yùn)用仿真軟件Saber對(duì)Boost型APFC電路的主電路和控制電路分別進(jìn)行了建模和仿真分析，仿真結(jié)果均達(dá)到預(yù)定指標(biāo)，驗(yàn)證了本文理論分析和電路設(shè)計(jì)的正確性。

關(guān)鍵詞：開(kāi)關(guān)電源；有源功率因數(shù)校正；Boost變換器

引言

開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制IC和MOSFET構(gòu)成，由于其效率高，體積小，重量輕等優(yōu)點(diǎn)自上世紀(jì)90年代來(lái)得到了廣泛的應(yīng)用[1]。然而，開(kāi)關(guān)電源多數(shù)是通過(guò)整流器與電力網(wǎng)相接的，經(jīng)典的整流器是由二極管或晶閘管組成的非線性電路。這樣就造成開(kāi)關(guān)電源的輸入阻抗呈容性，網(wǎng)側(cè)輸入電壓和輸入電流間存在較大相位差，輸入電流嚴(yán)重非正弦，并呈脈沖狀，故功率因數(shù)極低，諧波分量很高，給電力系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)重的諧波污染[2]。為此，國(guó)際電工委員會(huì)為各種電子設(shè)備制定了相應(yīng)的諧波標(biāo)準(zhǔn)，國(guó)內(nèi)的有關(guān)委員會(huì)也提出了相應(yīng)的諧波標(biāo)準(zhǔn)。傳統(tǒng)的整流電路因?yàn)橹C波遠(yuǎn)遠(yuǎn)超標(biāo)而面臨前所未有的挑戰(zhàn)。為了保證開(kāi)關(guān)電源的輸入電流諧波能夠達(dá)到諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求，綠化電網(wǎng)環(huán)境，功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）技術(shù)[3]已經(jīng)成為當(dāng)今電力電子學(xué)領(lǐng)域十分活躍和頗具研究?jī)r(jià)值的熱點(diǎn)。

一、有源功率因數(shù)校正的基本原理

（一）功率因數(shù)的定義

功率因數(shù)（PF）[4]定義為交流輸入有功功率（P）與交流輸入視在功率（S）的比值，用公式表示為

（二）有源功率因數(shù)校正的基本原理

有源功率因數(shù)校正（APFC）是抑制電流諧波，提高功率因數(shù)最有效的方法，其原理框圖如1-1所示。其基本思想是：交流輸入電壓經(jīng)整流后，對(duì)所得的全波整流電壓進(jìn)行DC-DC變換，通過(guò)適當(dāng)控制使輸入電流平均值自動(dòng)跟隨全波整流后的電壓波形，使輸入電流正弦化，同時(shí)保持輸出電壓穩(wěn)定。

PFC電路一般都有兩個(gè)反饋控制環(huán)：內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，使DC-DC變換器的輸入電流與全波整流電壓波形相同；外環(huán)為電壓環(huán)，使DC-DC變換器輸出穩(wěn)定的直流電壓。

二、有源功率因數(shù)校正的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上來(lái)說(shuō)，Buck、Boost兩種變換器最為基本，而其它的變換器結(jié)構(gòu)都是由這兩種基本結(jié)構(gòu)演變而來(lái)的。

Buck變換器又名降壓變換器、串聯(lián)開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器或三端開(kāi)關(guān)型降壓穩(wěn)壓器，基于Buck電路的PFC變換器基本電圖拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-1（a）所示。當(dāng)開(kāi)關(guān)按脈沖信號(hào)工作時(shí)，Buck變換器能將輸入電壓轉(zhuǎn)換成更低的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)降壓的功能。基于Buck電路的PFC變換器可工作在CCM和DCM狀態(tài)，但無(wú)論其工作在CCM或DCM狀態(tài)，輸入電流在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)都是斷續(xù)的，同時(shí)開(kāi)關(guān)管在輸入電源電壓過(guò)零點(diǎn)附近關(guān)斷，輸入電流為零，難以得到高的功率因數(shù)。

Boost變換器又名升壓變換器，并聯(lián)開(kāi)關(guān)電路或三端開(kāi)關(guān)型升壓穩(wěn)壓器。其基本電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2-1（b）所示，也是由開(kāi)關(guān)S，二極管VD，變換電感L和蓄能電容C組成。在實(shí)際實(shí)現(xiàn)中，開(kāi)關(guān)S可以由一只功率開(kāi)關(guān)管Q實(shí)現(xiàn)，開(kāi)關(guān)管Q交替地開(kāi)啟和關(guān)斷，就可以實(shí)現(xiàn)升壓變換的功能。

當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，如圖2-2（a）所示電流IL流過(guò)電感線圈L，電流線性增加，電能以磁能形式儲(chǔ)在電感線圈L中；此時(shí)，電容C放電，R上流過(guò)電流IO，R兩端為輸出電壓VO，極性上正下負(fù)；二極管陽(yáng)極接Vi負(fù)極，二極管承受反向電壓，所以電容不能通過(guò)開(kāi)關(guān)管放電。當(dāng)開(kāi)關(guān)管S斷開(kāi)時(shí)，構(gòu)成的電路如圖2-2（b）所示，由于線圈L中的磁場(chǎng)將改變線圈L兩端的電壓極性，以保持IL不變。這樣線圈L磁能轉(zhuǎn)化成的電壓VL與電源電壓VI串聯(lián)，以高出VO電壓向電容C、負(fù)載R供電。高于VO是，電容有充電電流；等于VO時(shí)，充電電流為零；當(dāng)VO有降低趨勢(shì)是，電容向負(fù)載R供電，維持VO不變。

三、BOOST型APFC電路的設(shè)計(jì)

（一）主電路Boost變換器的設(shè)計(jì)

（二）仿真參數(shù)設(shè)置

本文擬設(shè)計(jì)一個(gè)單相有源功率因數(shù)校正電路，其技術(shù)指標(biāo)如下：

（l）額定輸出功率PO：250W

（2）交流輸入電壓范圍UIN：80-270V

（3）輸出直流電壓UO：400V

（4）開(kāi)關(guān)頻率：100 kHz

（5）功率因數(shù)：95%以上

四、仿真試驗(yàn)

SABER作為混合仿真系統(tǒng)，可以兼容模擬、數(shù)字、控制量的混合仿真，便于在不同層面上分析和解決問(wèn)題，其他仿真軟件不具備這樣的功能。

（一）輸入交流電壓為80V加PFC后的波形

（a）.輸入電壓電流波形

（b）.輸出電壓波形

（二）輸入交流電壓為270V加PFC后的波形

（a）.輸入電壓電流波形

（b）.輸出電壓波形

可以看出，系統(tǒng)加APFC電路時(shí)，網(wǎng)側(cè)輸入電流由窄脈沖波形變成嚴(yán)格的正弦電流波形，且與輸入電壓同相位。因此，APFC使用時(shí)，Boost變換器可看作一個(gè)純電阻。Boost型APFC實(shí)驗(yàn)裝置可以達(dá)到預(yù)期效果，實(shí)現(xiàn)輸入電流的整形，輸出電壓穩(wěn)定，保證輸入功率因數(shù)PF=1。按論文方法設(shè)計(jì)Boost型APFC變換器的調(diào)節(jié)參數(shù)可獲得滿(mǎn)意的效果，說(shuō)明這種設(shè)計(jì)方法的合理性。

五、結(jié)論

本文對(duì)單相有源功率因數(shù)校正電路進(jìn)行了深入的研究。并進(jìn)行了相關(guān)的仿真試驗(yàn)。分析比較了在輸入電壓取不同值時(shí)的各種波形，得出了期望的結(jié)果。

參考文獻(xiàn)：

[1] 張衛(wèi)平.綠色電源-現(xiàn)代電能變換技術(shù)及應(yīng)用.北京：科學(xué)出版社，2001：10-50

[2] O.D.Patterson and D.M.Divan. Pseudo-resonant full bridge dc/dc converter.in Proc.IEEE PESC’87 Conference，1987：424-430.

[3] 楊旭，裴元慶.開(kāi)關(guān)電源技術(shù).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004，5：206-262

[4] 柴貴蘭等.有源功率因數(shù)校正技術(shù)的研究[碩士學(xué)位論文].西安：西安科技大學(xué)，2006

[5] 嚴(yán)百平等.不連續(xù)到點(diǎn)模式高功率因素開(kāi)關(guān)電源.北京：科學(xué)出版社，2000：1-9

[6] 周志敏等.開(kāi)關(guān)電源功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用.北京：人民郵電出版社，2004：1-17