基于Matlab的交流斬波型PFC電路仿真研究

方建華,顏建軍

摘 要:為改善傳統(tǒng)功率因數(shù)校正電路的不足,提出一種新型交流斬波型單相功率因數(shù)校正電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),使開(kāi)關(guān)管處于整流橋的交流側(cè)。該方案有助于提升電路的諧波抑制和功率因數(shù)校正能力,可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù),增強(qiáng)電路的電磁兼容性,降低電路的傳導(dǎo)損失。仿真結(jié)果表明,功率因數(shù)可達(dá)0.997,仿真結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性和理論分析的正確性。

關(guān)鍵詞:有源功率因數(shù)校正;交流斬波;Matlab仿真;整流橋

中圖分類號(hào):TJ8.323;TN710文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào):1004-373X(2009)20-014-03

Simulation Research of AC Chopper PFC Circuit Based on Matlab

FANG Jianhua,YAN Jianjun

(Zhejiang Institute of Mechanical and Electrical Engineering,Hangzhou,310053,China)

Abstract: To improve the conventional power factor correction circuit,a new type of single-phase AC chopper-type power factor correction circuit topology is proposed,so that the bridge rectifier switch at the exchange side,the program can help to enhance the harmonic suppression circuit and power factor correction ability,unity power factor can be realized,the circuit of electromagnetic compatibility is enhanced andthe conduction loss of the circuit is reduced.Simulation results show that the power factor up to 0.997,simulation results show feasibility of the program and correctness of theoretical analysis.

Keywords:APFC;AC chopper;Matlab simulation;bridge rectifier

0 引 言

大量電力電子裝置和非線性負(fù)載的廣泛應(yīng)用,使得電力系統(tǒng)電壓及電流波形發(fā)生畸變,產(chǎn)生了大量的諧波,導(dǎo)致電源輸入功率因數(shù)降低,對(duì)電網(wǎng)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染,使用電設(shè)備所處環(huán)境惡化,也對(duì)周圍的通信系統(tǒng)和公共電網(wǎng)以外的設(shè)備帶來(lái)危害。為了改善電網(wǎng)環(huán)境,必須了解產(chǎn)生諧波污染的原因,并對(duì)諧波進(jìn)行有效的抑制,進(jìn)行功率因數(shù)校正。為了提高供電線路功率因數(shù),保護(hù)用電設(shè)備,世界上許多國(guó)家和相關(guān)國(guó)際組織制定出相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),以限制諧波電流含量。如:IEC555-2,IEC61000-3-2,EN60555-2等標(biāo)準(zhǔn),規(guī)定允許產(chǎn)生的最大諧波電流。我國(guó)于1994年也頒布了《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)(GB/T14549-93)。因此,功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)便成為電力電子研究的熱點(diǎn)[1]。

1 諧波的抑制與功率因數(shù)校正方法

解決電力電子裝置和其他諧波源的污染問(wèn)題主要有兩種方法:一是采用無(wú)源濾波或有源濾波電路來(lái)旁路或?yàn)V除諧波;二是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改造,使其補(bǔ)償所產(chǎn)生的諧波,采用功率校正電路,使其具有功率因數(shù)校正功能。

功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)主要為無(wú)源PFC和有源APFC。無(wú)源PFC是采用無(wú)源元件來(lái)改善功率因數(shù),減小電流諧波的,方法簡(jiǎn)單但電路龐大笨重,有些場(chǎng)合無(wú)法適用,且功率因數(shù)一般能達(dá)到0.90。有源APFC是將一個(gè)變換器串入整流濾波電路與DC/DC變換器之間,通過(guò)特殊的控制,強(qiáng)迫輸入電流跟隨輸入電壓,使得輸入電流波形接近于正弦波,并且與輸入電壓同相位,提高功率因數(shù),使其達(dá)到功率因數(shù)為1的目標(biāo)。反饋輸出電壓使之穩(wěn)定,從而使DC/DC變換器的輸入事先預(yù)穩(wěn),該方法設(shè)計(jì)易優(yōu)化,性能進(jìn)一步提高,因此應(yīng)用廣泛[2]。

2 傳統(tǒng)功率因數(shù)校正電路的結(jié)構(gòu)及其缺點(diǎn)

基于PFC的拓?fù)潆娐返难芯楷F(xiàn)在已經(jīng)非常成熟,而且得到了十分廣泛的應(yīng)用,使用得最多的是升壓斬波(Boost)和降壓斬波(Buck)電路[3]。傳統(tǒng)的單相功率因數(shù)校正電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其中,Boost拓?fù)潆娐酚捎诮Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低廉而最為流行,電路中交流電源通過(guò)專用整流橋轉(zhuǎn)換成直流,后經(jīng)過(guò)Boost PFC電路輸出,該方法具有較好的控制效果,在中小功率電源中應(yīng)用較為廣泛[4]。但其也存在一些缺點(diǎn):

(1) 任何時(shí)刻都有三個(gè)半導(dǎo)體器件導(dǎo)通,隨著功率的提高,整流橋上消耗的功率也會(huì)隨之增加,從而提高了電源的發(fā)熱損失,降低了電源效率;

(2) 該Boost電路有很高的開(kāi)關(guān)頻率,增大了電路的開(kāi)關(guān)損耗;

(3) 直流側(cè)的二極管降低了直流電壓,增加了電路功耗和不穩(wěn)定性。

應(yīng)用這里所提出的交流斬波功率因數(shù)校正電路,可以解決傳統(tǒng)校正電路中存在的以上問(wèn)題[5]。

圖1 傳統(tǒng)的單相功率因數(shù)校正電路

3 交流斬波功率因數(shù)校正器的基本電路和工作原理

3.1 Boost型交流斬波功率因數(shù)校正電路

Boost型交流斬波功率因數(shù)校正電路的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Boost型交流斬波功率因數(shù)校正電路

Q為雙向開(kāi)關(guān)管。當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),輸入電流通過(guò)電感和開(kāi)關(guān)管,電感儲(chǔ)能,同時(shí)直流側(cè)濾波電容給負(fù)載供電;當(dāng)開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí),輸入電流經(jīng)過(guò)電感和整流二極管到達(dá)負(fù)載端,電感儲(chǔ)能和交流電源同時(shí)給負(fù)載和電容供電。

可以看出,與傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正電路相比較,具有以下優(yōu)點(diǎn):當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),主回路電流不經(jīng)過(guò)整流橋的二極管,減小了功率損耗;傳統(tǒng)電路中的快速恢復(fù)二極管VD在交流斬波功率因數(shù)校正電路中也不存在了,減小了功率損耗,提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

該電路相當(dāng)于兩個(gè)Boost電路的并聯(lián),在克服傳統(tǒng)Boost PFC電路缺點(diǎn)的同時(shí),保留了升壓電路的優(yōu)點(diǎn)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于:

(1) 增強(qiáng)了傳統(tǒng)PFC電路的諧波抑制和功率因數(shù)校正能力,可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù);

(2) 交流側(cè)的電感增強(qiáng)了電路的電磁兼容性;

(3) 降低了電路的傳導(dǎo)損失,任何時(shí)刻都只有兩個(gè)半導(dǎo)體器件導(dǎo)通;

(4) 通過(guò)開(kāi)關(guān)管M1和M2的額定電流較小。

3.2 Buck型交流斬波功率因數(shù)校正電路

圖3所示的為Buck功率因數(shù)校正電路的基本結(jié)構(gòu),Q為雙向開(kāi)關(guān)管。當(dāng)開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí),輸入電流通過(guò)電感、電容和開(kāi)關(guān)管,電容C1儲(chǔ)能。

圖3 buck型交流斬波功率因數(shù)校正電路

當(dāng)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí),此時(shí)輸入電流經(jīng)過(guò)整流二極管到達(dá)負(fù)載端,電容儲(chǔ)能和交流電源同時(shí)給負(fù)載和電容供電。可以看出,Buck型交流斬波功率因數(shù)校正電路中,當(dāng)開(kāi)關(guān)管斷開(kāi),主回路電流不經(jīng)過(guò)整流橋的二極管,可達(dá)到減小功率損耗的目的[6,7]。

4 仿真分析

Simulink軟件是Matlab軟件包的擴(kuò)展,專門用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真,具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真能力,仿真速度較快,特別是基于Simulink Power System 工具箱進(jìn)行功率因數(shù)校正電路的仿真,有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn):

(1) 基于器件模型,可以仿真器件參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響;

(2) 仿真模型復(fù)雜,精度較高。可以將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)運(yùn)用到PFC裝置的分析和設(shè)計(jì)中[8]。

以Boost 型為例,對(duì)文中所提出的交流斬波功率因數(shù)校正電路進(jìn)行仿真分析。功率因數(shù)校正電路采用輸入電流斷續(xù)工作模式的峰值電流控制,仿真參數(shù):uin=311sin ωt,L= 0.7 mH,輸出功率P= 500 W,uout=300 V。按圖4模型建模,仿真波形如圖5、圖6所示。其中,圖5為輸入電壓、電流的波形,圖6為輸出電壓的波形[9,10]。

從圖5可以看出,輸入電壓和輸入電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后,輸入電壓和輸入電流相位幾乎一致,輸入電流也幾乎是正弦波。整個(gè)仿真時(shí)間段內(nèi)的功率因數(shù)約為0.997。

從圖6可看出,輸出電壓隨著仿真時(shí)間的進(jìn)行,逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài),輸出電壓在300 V上下波動(dòng),符合電路設(shè)計(jì)要求。

圖4 Boost型交流斬波功率因數(shù)校正電路Simulink模型圖

圖5 輸入電壓和輸入電流的波形

圖6 輸出電壓的波形

5 結(jié) 語(yǔ)

這里討論了應(yīng)用較為成熟的單相Boost PFC電路的不足,介紹一種新型單相交流斬波功率因數(shù)校正電路,分析了其工作原理,并給出了仿真波形。結(jié)果表明,輸入電流具有很高的品質(zhì)因數(shù),基本為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形,與輸入電壓相位相近,實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)。與傳統(tǒng)的電路相比,能減少系統(tǒng)的功耗,提高系統(tǒng)工作的可靠性,而取得相同的控制效果。仿真結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性。方案中的交流斬波電路除了采用Boost型和Buck型外,也可采用其他的功率變換電路。

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