基于PSIM仿真的單相有源功率因素校正電路分析

焦俊生

（銅陵學(xué)院電氣工程學(xué)院 安徽銅陵 244061）

科技的發(fā)展讓人們的生活越來(lái)越便利，大量的各種電源已廣泛用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的交流到直流的電壓轉(zhuǎn)換由相位控制或二極管整流器。由于大量的非線性負(fù)載的存在，使輸入電流產(chǎn)生相移及失真，網(wǎng)側(cè)交流注入端會(huì)產(chǎn)生諧波污染，市電能源使用質(zhì)量下降。若沒(méi)有用功率因素（Power Factor,PF）校正電路，電力公司必須提供更多電能。因此，為了提升功率因素，交流到直流整流器必須具備功率因素校正能力。

功率因素校正電路較簡(jiǎn)單的做法是在交流電源側(cè)加入一些額外的電感、電容或兩者混合方式實(shí)現(xiàn)，達(dá)到功率因素校正的效果，型式通常有LC型、π型校正電路，此法稱為被動(dòng)式或無(wú)源式校正電路。優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，但電感與電容會(huì)增加產(chǎn)品的體積和重量，同時(shí)產(chǎn)品的整體效率低下，改善效果有限。相對(duì)而言，發(fā)展較成熟的主動(dòng)或有源功率因素校正，也就是APFC(Active Power Factor Correction)技術(shù)[1-2]，已經(jīng)完全取代早期被動(dòng)式做法，成為目前主流。它是在橋式整流器與負(fù)載中間，加入主動(dòng)式切換開(kāi)關(guān)電路，實(shí)現(xiàn)電力轉(zhuǎn)換。再經(jīng)適當(dāng)控制，使得PF能夠趨近于1，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)定的直流輸出。

本文以常用的升壓型BOOST APFC為例，采用電壓環(huán)反饋控制，穩(wěn)定輸出電壓，反饋電流環(huán)跟蹤控制，讓交流網(wǎng)側(cè)輸入端電流跟隨交流輸入正弦電壓波形，這樣即能提高電路的PF值，又能抑制輸入電流諧波成份，降低總諧波畸變率THD(Total Harmonic Distortion)的值。

一、功率因數(shù)的定義

由于大多數(shù)電器或電子產(chǎn)品為非線性負(fù)載，因此功率因素PF的值與兩個(gè)因素有關(guān)，一方面考慮相移因素的影響，即輸入電壓與輸入電流之相位差φ有關(guān)；另一方面，須考慮失真因素，即輸入電流產(chǎn)生畸變后所造成的影響，此時(shí)的電流波形是畸變非正弦波。設(shè)輸入電壓為正弦波，加在非線性負(fù)載上，那么根據(jù)電路知識(shí)，非標(biāo)準(zhǔn)的正弦電流波，利用傅里葉級(jí)數(shù)展開(kāi)得[3-4]：

式(2)中I1－基波電流有效值；I－輸入畸變電流有效值；φ1－v(t)與基波電流的相位差。負(fù)載的非線性，會(huì)造成輸入電流的失真，常用THD表示其失真的程度，其定義為：

可得：

二、BOOST電路的工作原理

APFC主電路及控制電路如下圖1所示，圖1中電感L值較大，電感電流不斷續(xù)，電容C值也較大，保持輸出電壓基本不變。

圖1 主電路及APFC控制框圖電路

圖1中，電力開(kāi)關(guān)器件IGBT導(dǎo)通時(shí)，VD反偏關(guān)斷，整流橋的直流輸出Vd作為電源，對(duì)電感L儲(chǔ)能，L電流上升，電容C對(duì)R供電，電感電壓為：

所以開(kāi)關(guān)管IGBT導(dǎo)通時(shí)，圖1中可看出，電感電流的變化率為常數(shù)且為正值，變化過(guò)程如圖2所示。IGBT導(dǎo)通階段，電感電流的變化為：

圖2 電感電流變化過(guò)程

開(kāi)關(guān)管IGBT關(guān)斷時(shí)，電感電流無(wú)法瞬間改變，這時(shí)二極管VD正偏，提供電感電流通路。由于輸出電壓為常數(shù)，輸出電壓Vo高于整流橋直流電壓Vd，電感電流變化率為負(fù)，所以有：

開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)電感電流的變化為：

認(rèn)為BOOST電路的二極管和開(kāi)關(guān)管IGBT為理想器件，穩(wěn)態(tài)時(shí)，任一周期中，所以有：

即：

公式（10）中D為占空比，范圍在0～1之間，即改變占空比D，就可以改變輸出電壓的大小。

三、有源功率因數(shù)校正的控制方法

主要研究升壓型轉(zhuǎn)換器操作于連續(xù)導(dǎo)通模式。連續(xù)導(dǎo)通模式時(shí)，為了讓輸入電流追隨輸入電壓，整個(gè)控制系統(tǒng)分為內(nèi)回路以及外回路兩個(gè)部分，如圖3所示。

（一）雙環(huán)控制法。外回路電壓控制，目的是讓輸出電壓能夠穩(wěn)壓。方法是輸出電壓Vo與參考電壓Vo-ref比較，經(jīng)過(guò)PI控制輸出與網(wǎng)側(cè)交流輸入電壓Vin的絕對(duì)值相乘，作為電流控制回路的指令信號(hào)IL-ref。內(nèi)回路電流控制，提高功率因素PF的值，達(dá)到PF校正目的。方法是電感電流IL與指令電流信號(hào)比較通過(guò)PI控制，電流環(huán)的PI控制輸出信號(hào)送入比較器的同相端，與高頻鋸齒波相比較，產(chǎn)生PWM信號(hào)，控制電力開(kāi)關(guān)器件IGBT的通斷。

圖3 雙環(huán)控制原理圖

（二）電流環(huán)的平均控制法。圖3中乘法器的輸出IL-ref為正弦全波整流波形，此信號(hào)與整流橋的輸出電壓Vd成正比。配合圖4中占空比信號(hào)，電感電流IL的大小已由前面的占空比決定，如果BOOST輸入電壓Vd逐漸升高，電流環(huán)的PI控制器會(huì)輸出較高的信號(hào)（圖4虛線所示），再與鋸齒波（Ramp）比較后，會(huì)使占空比變大，進(jìn)而使電感電流IL上升跟隨電壓Vd。反之，當(dāng)BOOST輸入電壓逐漸降低，圖4中的占空比減小，也能得到電感電流IL追蹤電壓Vd。

圖4 平均電流控制法的控制信號(hào)波形

放大圖即為圖5所示，由反復(fù)不斷占空比的改變，控制電感電流平均值IL-avg能夠追隨BOOST輸入電壓Vd，達(dá)到功率因素校正的目的。

圖5 電流IL跟蹤電壓Vd放大波形圖

四、仿真分析

為了驗(yàn)證雙環(huán)PI控制的APFC BOOST變換器的正確性，采用PSIM9.1.1版電力電子專業(yè)仿真軟件，建立仿真模型，主要電路參數(shù)電感L=6mH，輸出電容為1000μF。交流網(wǎng)側(cè)輸入電壓Vin、輸入電流Iin波形仿真如圖6所示，在整個(gè)仿真周期內(nèi)，交流輸入電流Iin很好的跟隨了交流輸入電壓Vin。功率因素如圖7所示，達(dá)到0.99以上，近似等于1。

圖6 輸入電壓、輸入電流仿真波形

圖7 功率因素仿真波形

從圖8的仿真波形可以看出，THD波形仿真穩(wěn)定后，THD較低，經(jīng)PSIM軟件計(jì)算，輸入電流的THD等于2.37%。

圖8 輸入電流THD仿真波形

從圖9（b）中可以看出：Vo在395V～406V之間波動(dòng)，穩(wěn)態(tài)時(shí)的直流側(cè)電壓Vo如圖9（a）所示，輸出電壓均值約為400V，達(dá)到了輸出電壓穩(wěn)定性要求。

圖9 輸出電壓仿真波形

五、結(jié)論

本文分析了單相BOOST型APFC電路原理，采用雙閉環(huán)控制方法，通過(guò)PSIM9.1.1軟件仿真，證明了此方法能有效抑制諧波，得到穩(wěn)定的直流電壓，能很好的提高系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)。