基于單相交錯式并聯(lián)PFC的Saber仿真應(yīng)用研究

范立榮，孫豐濤，李 輝

（珠海格力電器股份有限公司，廣東 珠海519070）

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電力電子技術(shù)裝置在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、國防、科技等領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用，但電力電子技術(shù)裝置本身屬于非線性設(shè)備，這些非線性設(shè)備的大量使用給用電設(shè)備帶來的公共諧波污染不可忽視，并在一定程度上影響了電網(wǎng)供電質(zhì)量和用戶的使用安全。因此，功率因數(shù)校正是目前比較流行的一個專業(yè)術(shù)語，它的作用不僅僅是提高線路或系統(tǒng)的功率因數(shù)，更重要的是可以解決電磁干擾（EMI）和電磁兼容（EMC）問題［1］。

PFC分為有源PFC和無源PFC兩大類，無源PFC雖然結(jié)構(gòu)簡單，成本低，但是輸出直流DC電壓紋波大，質(zhì)量較差，功率因數(shù)也不能做的很高［2］，因此電流諧波成分并不能完全達(dá)到國家對諧波的要求，因此目前較流行的是有源PFC技術(shù)。

傳統(tǒng)的Boost APFC雖然在1～3 k W的功率范圍可以達(dá)到最佳的設(shè)計效果，但由于EMI濾波器和電感體積較大，使得它應(yīng)用在3 k W以上的電路優(yōu)化設(shè)計中會變得很困難，而且它不能適應(yīng)全負(fù)載范圍高效的要求。面對這些挑戰(zhàn)，交錯式PFC能很好地解決這些難題。

Saber軟件是美國Synopsys公司開發(fā)的一款EDA軟件，它為復(fù)雜的混合信號設(shè)計與驗(yàn)證提供了一個功能強(qiáng)大的混合仿真器，可以解決從系統(tǒng)開發(fā)到詳細(xì)設(shè)計、驗(yàn)證等一系列問題［3］。本文充分利用Saber的數(shù)模混合仿真功能（可以兼容模擬、數(shù)字、控制量的混合仿真）對6 k W兩路交錯并聯(lián)CCM Boost PFC進(jìn)行了仿真應(yīng)用研究。

1 交錯式PFC原理

本文使用Boost PFC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主電路的有源PFC電路，實(shí)際應(yīng)用中交錯PFC控制芯片可采用安森美的NCP1631或TI的UCC28070。圖1給出交錯并聯(lián)PFC拓?fù)湓韴D。

圖1 交錯并聯(lián)Boost PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

交錯式PFC控制是將工作頻率相同的多個開關(guān)功率變換器單元交錯連接的控制策略。在每個開關(guān)周期內(nèi)，每個開關(guān)功率變換器單元都只工作相同的時間，但是工作的時間和順序在這個開關(guān)周期內(nèi)呈現(xiàn)有規(guī)律的交錯狀態(tài)［4］。這種控制策略能在不增加功率開關(guān)器件和損耗的前提下，有效降低系統(tǒng)功率總線電流紋波的幅值，提高了功率總線電流紋波的頻率，因此也可以簡化輸入EMI濾波器的設(shè)計。

2 基于Saber的交錯式PFC電路仿真

2.1 參數(shù)計算

本文設(shè)計參數(shù)規(guī)格如下：

輸入電壓：Uin＝172～270 V，額定電壓為220 V（考慮電網(wǎng)電壓±20%波動），PFC輸出電壓Upfc＝410 V，電網(wǎng)頻率為50 Hz，最大輸出功率Pout＝6 000 W，PFC效率η＝0.90，開關(guān)頻率fs＝200～300 k Hz，這樣可以使功率級主電路小型化，為了減小失真，保持高效率，這里采用200 k Hz。

電感的大小決定了輸入端紋波電流的總量。因此可按照給出的紋波電流值來計算電感值。設(shè)最大峰值電流Ipk為

電感中的紋波電流通常選擇在最大峰值電流的20%左右，電感值根據(jù)輸入電壓和開關(guān)頻率的占空比來選擇，占空比D的計算公式為：

則最小電感值公式為：

取L1＝L2＝400μH，式（3）中fs為開關(guān)頻率，ΔI為紋波電流峰峰值。

通常選擇大電解電容作為輸出電容，和輸出電容選擇相關(guān)的參數(shù)有開關(guān)頻率fs，紋波電流峰峰值ΔI，直流輸出電壓Uo，輸出紋波電壓ΔU和維持時間Δt。維持時間是指在輸入電源被關(guān)閉后，輸出電壓仍然保持在規(guī)定范圍內(nèi)的時間，通常取15～50 ms，這里可以取為15 ms，則電容值為：

仿真取2 820μF。

開關(guān)管是速電壓型，其反向恢復(fù)時間為200 ns，擊穿電壓為600 V，正向電流有效值為50 A，選用IXFN64 N60P。

2.2 系統(tǒng)原理圖

如圖2所示，系統(tǒng)由2個電流內(nèi)環(huán)和一個電壓外環(huán)構(gòu)成，開關(guān)管暫用Saber中理想開關(guān)管sw1＿l4＿1代替，每個Boost電感都工作在恒頻、恒調(diào)節(jié)占空比的模式，能夠自動實(shí)現(xiàn)輸入的功率因數(shù)校正。在一個開關(guān)周期內(nèi)，開關(guān)管Q1的驅(qū)動信號滯后開關(guān)管Q2的驅(qū)動信號半個周期。因此，總線上的電流為每個單元電感電流之和。在相同輸出功率條件下，紋波的幅值會減小，且紋波的頻率增加為開關(guān)頻率的二倍，因此能大大減小輸入濾波器的體積和每個開關(guān)管上的電流應(yīng)力，特別適用于大電流、低電壓場合。

2.3 系統(tǒng)仿真

2.3.1 直流分析

DC分析旨在為系統(tǒng)找到電路的工作點(diǎn)，即為系統(tǒng)提供一個靜態(tài)工作點(diǎn)，圖3給出進(jìn)行DC分析的部分結(jié)果。

2.3.2 瞬態(tài)分析

利用Saber軟件對圖2電路進(jìn)行瞬態(tài)仿真分析（進(jìn)行瞬態(tài)分析之前必須先進(jìn)行DC分析），Saber的數(shù)?；旌戏抡嬉⒁饽M量與數(shù)字量之間的轉(zhuǎn)換，模擬量是有量綱的，而數(shù)字量是無量綱的，因此在轉(zhuǎn)換成數(shù)字量時必須通過v2var（電壓變換成數(shù)字）或i2var（電流變換成數(shù)字），反之同理，同時設(shè)置好電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)的PI及抗飽和積分限幅數(shù)。圖4上方粗實(shí)線即為PFC輸出電壓采樣波形，從圖4可以看出，PFC采樣電壓穩(wěn)定在2.5 V上下（偏差0.15 V），說明輸出電壓基本穩(wěn)定；圖4下方波形即為整流輸出采樣電壓波形。

圖5為輸入電壓采樣與2電感支路電流波形，此波形是從交流全波整流后采樣得到的正弦半波。此波形通過相關(guān)運(yùn)算進(jìn)入電流測定比較器，控制電感電流使之跟蹤交流輸入電流。從圖5可看出，2支路電感電流均能很好跟蹤交流輸入電流，從而達(dá)到控制功率因數(shù)的目的。

圖2 交錯并聯(lián)Boost PFC Saber仿真原理圖

圖3 DC分析部分結(jié)果

圖4 PFC輸出與整流輸出采樣電壓波形

圖6 為驅(qū)動上下開關(guān)管的驅(qū)動電壓與2支路電感電流波形，從圖6可以看出，DRVA與DRVB兩路移相180°驅(qū)動信號，最小占空比為0.4488，2支路電感紋波分別為3.2503 A和3.2102 A，相差0.04 A左右，可見2路電感取值相同時對各個支路紋波影響較小。

圖5 交流輸入電壓與2電感支路電流采樣波形

圖6 2路驅(qū)動信號與2路電感支路電壓波形

圖7 （a）為輸入總電流與2支路電感電流波形，圖7（b）為其展開波形，從7（b）放大后可以看出，2電感支路紋波電流分別為2.279 3 A與2.282 6 A，而總電流紋波電流為1.4484 A，即通過交錯式PFC控制，能使2支路電感紋波電流相互抵消，從而使總電流紋波下降。

圖7 輸入電流與2電感支路電流波形

圖8 為輸入電壓與輸入電流波形，從中可以看出，輸入電流波形與輸入電壓波形反相，輸入電流波形能很好地跟蹤輸入電壓波形，電流畸變率已經(jīng)很小（僅在開關(guān)關(guān)斷時有毛刺），因此驗(yàn)證了交錯式PFC在中大功率（超過3 k W）上應(yīng)用的優(yōu)越性。

2.3.3 參數(shù)掃描分析

以上仿真是建立在2路電感參數(shù)完全一致的情況下，但實(shí)際中由于材料及加工工藝的不同，2路電感不可能完全相同。因此為考慮2路電感有偏差的時候?qū)ζ渲芳捌漭斎腚娏骷y波的影響，對L1或L2任一進(jìn)行參數(shù)掃描分析，如圖9是其設(shè)置框圖。對L1進(jìn)行參數(shù)掃描，考慮±10%的誤差，對L1取值從360μH到440 μH進(jìn)行掃描，每次步進(jìn)40μH，即分別對L1＝360 μH、400μH和440μH進(jìn)行3次瞬態(tài)分析，觀察2路電感取值存在一定誤差時對其支路電流和輸入電流紋波的影響，圖10是取L1＝440μH即影響比較明顯的波形。

圖9 對電感L 1進(jìn)行參數(shù)掃描設(shè)置

圖10 取L 1＝440μH時2支路電感電流與輸入電流局部波形

從圖10可以看出，2電感支路紋波電流分別為2.5305 A與2.526 A，較之前的2.2793 A與2.2826 A明顯增大，且總輸入電流紋波變?yōu)?.7061 A，較電感支路相同的1.4484 A增加顯著，因此交錯式PFC控制2電感支路電感必須上下對稱（即電感取值誤差不能超過±10%，應(yīng)在盡量小的范圍）。仿真發(fā)現(xiàn)，2支路電感若在±5%范圍內(nèi)對其輸入電流紋波影響不大。

2.3.4 FFT分析

利用Saber仿真軟件可以方便地對其進(jìn)行FFT分析，在瞬態(tài)分析取得足夠長的周期（保證FFT分析時數(shù)據(jù)采樣的準(zhǔn)確）時，可進(jìn)行FFT分析，觀察輸入電流的TDH及各次諧波電流的幅值是否滿足要求，圖11是其FFT分析波形。

從圖11可以看出，基波幅值為42.719 A，其余各次諧波均為基次諧波（2 N－1，N從1開始），無偶次諧波，利用Saber的圖形觀測器測得其前30次諧波幅值如表1所示。

圖11 FFT分析波形

從表1可以看出，前20次諧波幅值均在0.50 A以上，20次以后均小于0.50 A，因此主要濾除20次以內(nèi)的基次諧波，而20次以內(nèi)又主要以濾除3、5、7、9、11、13次，因此計算前20次諧波畸變率為：

表1 FFT分析各次諧波幅值

即THD＝4.7%，小于GB（＜5%）要求，因此設(shè)計滿足要求。同時為進(jìn)一步減小諧波，可以在電源輸入側(cè)加裝濾波器進(jìn)行濾除。關(guān)于前面EMC濾波器設(shè)計，因本文主要研究交錯式PFC設(shè)計，故這里不再介紹。

3 結(jié)束語

本文主要借助Synosys公司強(qiáng)大的數(shù)?；旌戏抡孳浖蜗嘟诲e并聯(lián)式PFC電路進(jìn)行了深入的仿真應(yīng)用研究，在分析單相交錯式PFC原理的基礎(chǔ)上利用Saber仿真軟件對6 k W兩路交錯式PFC先是進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計和參數(shù)計算，之后通過Saber仿真，使設(shè)計達(dá)到了要求。同時仿真結(jié)果不僅驗(yàn)證了交錯并聯(lián)式PFC原理的正確性，而且對于縮短開發(fā)周期，降低設(shè)計成本及軟件的工程調(diào)試也有一定的指導(dǎo)意義。

［1］ 楊潮暉.Boost－PFC電路拓?fù)浜蛿?shù)字控制的研究［D］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文，2010.

［2］ 魯 曄，郭穎娜，程為彬.基于Saber的Boost APFC電路設(shè)計與仿真［J］.模擬應(yīng)用，2009，02：21－23.

［3］ 朱娟娟.基于Saber的單相Boost電路仿真與設(shè)計［J］.科技廣場，2007，11：213－215.

［4］ 劉 晟.有源功率因數(shù)校正的新型控制策略研究［D］.南京：河海大學(xué)碩士學(xué)位論文，2007.