采用乘法器方案的Boost PFC變換器仿真研究

摘要：文章將乘法器引入Boost變換器，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正，在介紹Boost電路原理的基礎(chǔ)上，總結(jié)了乘法器方案下Boost PFC變換器的工作原理，給出了乘法器方案的Boost變換器實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的控制目標(biāo)和實(shí)現(xiàn)方式，并通過PSIM仿真實(shí)驗(yàn)得到仿真結(jié)果，其結(jié)果表明乘法器方案適合于Boost PFC變換器中。

關(guān)鍵詞：PSIM仿真實(shí)驗(yàn)；Boost PFC變換器；功率因數(shù)校正；乘法器方案；諧波污染 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TM921 文章編號(hào)：1009-2374（2015）14-0017-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.009

1 概述

從電網(wǎng)獲取交流電經(jīng)整流為各種電氣設(shè)備提供直流電是一種常用的變流方案，但整流裝置、電感、電容組成的濾波器中非線性元件和儲(chǔ)能元件的存在使輸入交流電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，呈尖峰脈沖狀，網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)降低。電網(wǎng)電流的畸變由于電網(wǎng)阻抗反過來影響電網(wǎng)電壓，造成諧波污染。諧波的存在使電網(wǎng)中元件產(chǎn)生附加損耗，會(huì)降低用電設(shè)備的效率；會(huì)影響電器設(shè)備的正常工作及其壽命；會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置誤動(dòng)作，并使電器測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確；會(huì)降低電網(wǎng)功率因數(shù)等系列危害。由于電力電子裝置是現(xiàn)在最主要的諧波污染源，這已經(jīng)阻礙了電力電子技術(shù)的發(fā)展，它迫使電力電子領(lǐng)域的研究人員對(duì)諧波的污染問題要給出有效的解決方案。

為了解決電力電子裝置的諧波污染問題，基本思路有兩條：一條是裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來補(bǔ)償諧波；另一條是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改造，提高輸入端的功率因數(shù)。對(duì)于新型的電力電子設(shè)備，多采用后一種思路，即加入功率因數(shù)校正器，它的原理就是在整流器與負(fù)載直接接入DC-DC開關(guān)變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使得輸入端電流的波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，可使得輸入端電流接近正弦波，從而使得輸入端的諧波畸變率THD小，功率因數(shù)提高。功率因數(shù)是電源對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量的一個(gè)重要的指標(biāo)。

許多發(fā)達(dá)國(guó)家率先采用了多種功率因數(shù)校正（PFC）方法來實(shí)現(xiàn)“綠色能源”革命，并強(qiáng)制推行了國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEC555-2、EN60555-2等，限制了電子生產(chǎn)廠家入網(wǎng)電氣設(shè)備的電流諧波值。目前，有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)是解決諧波污染最有效的方法之一。

PFC的英文全稱為“Power Factor Correction”，功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值?；旧瞎β室蛩乜梢院饬侩娏Ρ挥行Ю玫某潭?，當(dāng)功率因數(shù)值越大，代表其電力利用率越高。PFC的實(shí)現(xiàn)方式多樣，其中在過去二十年中，工業(yè)上高性能的CCM Boost PFC變換器一直采用乘法器控制法來實(shí)現(xiàn)。該方法包括三種電流連續(xù)控制方法：平均電流控制、峰值電流控制和滯環(huán)控制，其中平均電流控制具有穩(wěn)定性高、無需斜率補(bǔ)償以及抗噪聲能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)而廣泛采用。

2 仿真分析

本章將運(yùn)用PSIM仿真軟件對(duì)Boost PFC電路進(jìn)行仿真分析，并得到仿真結(jié)果。

2.1 仿真電路介紹

根據(jù)對(duì)Boost PFC電路主電路、控制電路的分析，給出完整的仿真電路，如圖1所示：

圖1 Boost PFC變換器仿真電路

2.2 仿真要求

本文仿真的要求為，輸入交流電壓Vin=220V，電網(wǎng)頻率f=50Hz，要得到輸出直流電壓=400V，輸出功率500W，功率因數(shù)PF>0.99。并實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的：（1）控制電感電流波形，使它能跟蹤輸入電壓波形，從而得到高功率因數(shù)；（2）為后一級(jí)電路提高平滑的直流電壓。

但是由于系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差，所以一面得到的輸出電壓可能穩(wěn)定在390～410V之間。

2.3 仿真結(jié)果與分析

本節(jié)將使用PSIM軟件對(duì)上章閉環(huán)控制系統(tǒng)進(jìn)行一系列系統(tǒng)仿真與波形分析，并得出結(jié)論。

2.3.1 控制方案有效性驗(yàn)證。為了方便仿真研究，在上面給出了以下基準(zhǔn)參數(shù)：輸入電壓為220V；輸入頻率為50Hz；輸出負(fù)載為R=330Ω；濾波電容C=0.001F；濾波電感L=0.001H；由于本文中有電壓控制環(huán)節(jié)和電流控制環(huán)節(jié)這兩個(gè)控制環(huán)節(jié)，將有2個(gè)PI控制器，所以根據(jù)需要對(duì)它們進(jìn)行不同的參數(shù)設(shè)定，電壓環(huán)節(jié)PI控制器參數(shù)：G=2，TC=5；電流環(huán)節(jié)PI控制器參數(shù)：G=6，TC=0.005；三角波頻率為20kHz。

根據(jù)上文的工作原理和給出的基準(zhǔn)參數(shù)構(gòu)建出閉環(huán)控制系統(tǒng)的模型，并運(yùn)行仿真軟件，采樣得輸出穩(wěn)態(tài)電壓Vo和輸入電流Iin，得到輸入電流與輸出電壓波形如圖2和圖3分別是Vin取不同值時(shí)Vo和Io的波形圖。

第一，Vin=220V時(shí)Vo與Io的仿真波形圖。

圖2 輸入電壓Vin=220V時(shí)，Vo與Io的波形圖 圖3 輸入電壓Vin=100V時(shí)，Vo與Io的波形圖

第二，Vin=100V時(shí)Vo與Io的仿真波形圖。

通過圖2和圖3可以看出次控制方案的有效性。

2.3.2 濾波電容對(duì)輸出電壓性能的影響。

第一，濾波電容對(duì)輸出電壓紋波的影響。未來觀察濾波電容對(duì)輸出電壓紋波的影響，可以通過改變電容C，分別取大于和小于基準(zhǔn)電容參數(shù)的值，來更好地分析濾波電容的大小對(duì)輸出電壓紋波的影響。觀察濾波電容為C=0.0005F和0.002F時(shí)輸出電壓局部放大波形。

通過比較明顯可以看出當(dāng)濾波電容取值比較大時(shí)，輸出電壓紋波比較小。當(dāng)濾波電容取值比較小時(shí)，輸出電壓紋波就比較大。

第二，濾波電容對(duì)輸出電壓穩(wěn)態(tài)性能的研究。改變電容C的值，引用上面電容的取值，濾波電容分別取C=0.0005F和0.002F，運(yùn)行仿真軟件并觀察得到的波形，可以得到以下結(jié)論：通過以上兩組實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證濾波電容對(duì)輸出電壓特性的結(jié)論。

當(dāng)濾波電容C取值較大時(shí)，輸出電壓的穩(wěn)定速度就越慢，動(dòng)態(tài)性能就越差，但是其靜態(tài)性能就比較好，紋波波動(dòng)范圍就比較小。相反C取值比較小的時(shí)候，輸出電壓的穩(wěn)定速度就越快，動(dòng)態(tài)性能就越好，但是其靜態(tài)性能差，紋波波動(dòng)范圍就比較大。

2.3.3 濾波電感對(duì)輸入電流特性的影響。濾波電感對(duì)電流紋波的影響。為了研究濾波電感對(duì)輸入電流特性的影響，我們分別取電感L=0.004H和0.0008H時(shí)得到的輸入電流波形，可以明顯觀察到：改變電感值將改變輸出電流的波形，當(dāng)電感值取較大時(shí)，輸出電流的紋波就越小。反之，當(dāng)電感值取較小時(shí)，輸出電流的紋波就越大。

2.3.4 PI控制器對(duì)輸出電壓動(dòng)態(tài)性能的影響。

第一，Kp對(duì)輸出電壓動(dòng)態(tài)性能的影響。通過在電壓控制環(huán)節(jié)中保持Ki的值保持不變，更改Kp值分別為1.8和2.5，觀察得到的輸出電壓波形，很容易得到以下結(jié)論：

我們可以得出當(dāng)增益Ki取值比較大時(shí)，輸出電壓穩(wěn)定到目標(biāo)電壓的速度越快。相反，增益Ki取值比較小時(shí)，穩(wěn)定到目標(biāo)電壓的速度就越慢。

第二，Ki對(duì)輸出電壓動(dòng)態(tài)性能的影響。這次我們保持Kp值不變，分別將Ki定為4.5和10，觀察輸出的電壓波形。得到：比較在保持Kp值不變，不同Ki值所得到的輸出電壓波形，可以發(fā)現(xiàn)，在Kp的值保持不變的情況下，改變Ki的取值對(duì)輸出電壓的波形影響不大。

通過以上兩組仿真實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，在電壓控制環(huán)節(jié)，Kp取值越大，輸出電壓穩(wěn)定到目標(biāo)電壓的速度就越快，動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性能就越好。而改變Ki的值幾乎不影響輸出電壓的波形。

2.3.5 開關(guān)頻率對(duì)電感電流紋波的影響。在基準(zhǔn)參數(shù)中，三角波的發(fā)生頻率為20kHz，所得的電感電流波形就是圖2中輸出電流Io的波形，現(xiàn)在改變?nèi)遣òl(fā)生頻率，觀察其對(duì)電感電流紋波的影響。分別改變?nèi)遣ǖ陌l(fā)生頻率為10kHz和30kHz，并觀察在不同三角波的發(fā)生頻率下電感電流波形，很明顯得到以下結(jié)論：通過改變?nèi)遣ǖ陌l(fā)生頻率從而影響到開關(guān)頻率，從而影響電感電流的紋波。從以上兩組仿真得到當(dāng)三角波的發(fā)生頻率取之較大時(shí)，電感電流紋波就小，而當(dāng)三角波的發(fā)生頻率越小時(shí)，則電感電流紋波就比較大。

3 結(jié)語

本文使用PSIM仿真軟件對(duì)PFC電路進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明前述理論分析是正確的，整個(gè)功率因數(shù)校正系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求，能夠達(dá)到整流、高輸入功率因數(shù)、升壓、穩(wěn)壓、低紋波的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介：韓磊（1988-），男，江蘇南京人，南京揚(yáng)子石油化工設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司助理工程師。

（責(zé)任編輯：周 瓊）