基于Matlab的交流斬波型PFC電路仿真研究

方建華,顏建軍

摘 要:為改善傳統功率因數校正電路的不足,提出一種新型交流斬波型單相功率因數校正電路的拓撲結構,使開關管處于整流橋的交流側。該方案有助于提升電路的諧波抑制和功率因數校正能力,可實現單位功率因數,增強電路的電磁兼容性,降低電路的傳導損失。仿真結果表明,功率因數可達0.997,仿真結果驗證了方案的可行性和理論分析的正確性。

關鍵詞:有源功率因數校正;交流斬波;Matlab仿真;整流橋

中圖分類號:TJ8.323;TN710文獻標識碼:A

文章編號: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載的廣泛應用,使得電力系統電壓及電流波形發生畸變,產生了大量的諧波,導致電源輸入功率因數降低,對電網環境造成嚴重的污染,使用電設備所處環境惡化,也對周圍的通信系統和公共電網以外的設備帶來危害。為了改善電網環境,必須了解產生諧波污染的原因,并對諧波進行有效的抑制,進行功率因數校正。為了提高供電線路功率因數,保護用電設備,世界上許多國家和相關國際組織制定出相應的技術標準,以限制諧波電流含量。如:IEC555-2,IEC61000-3-2,EN60555-2等標準,規定允許產生的最大諧波電流。我國于1994年也頒布了《電能質量公用電網諧波》標準(GB/T14549-93)。因此,功率因數校正(PFC)技術便成為電力電子研究的熱點[1]。

1 諧波的抑制與功率因數校正方法

解決電力電子裝置和其他諧波源的污染問題主要有兩種方法:一是采用無源濾波或有源濾波電路來旁路或濾除諧波;二是對電力電子裝置本身進行改造,使其補償所產生的諧波,采用功率校正電路,使其具有功率因數校正功能。

功率因數校正(PFC)技術主要為無源PFC和有源APFC。無源PFC是采用無源元件來改善功率因數,減小電流諧波的,方法簡單但電路龐大笨重,有些場合無法適用,且功率因數一般能達到0.90。有源APFC是將一個變換器串入整流濾波電路與DC/DC變換器之間,通過特殊的控制,強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,使其達到功率因數為1的目標。反饋輸出電壓使之穩定,從而使DC/DC變換器的輸入事先預穩,該方法設計易優化,性能進一步提高,因此應用廣泛[2]。

2 傳統功率因數校正電路的結構及其缺點

基于PFC的拓撲電路的研究現在已經非常成熟,而且得到了十分廣泛的應用,使用得最多的是升壓斬波(Boost)和降壓斬波(Buck)電路[3]。傳統的單相功率因數校正電路的結構如圖1所示。

其中,Boost拓撲電路由于結構簡單和成本低廉而最為流行,電路中交流電源通過專用整流橋轉換成直流,后經過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用較為廣泛[4]。但其也存在一些缺點:

(1) 任何時刻都有三個半導體器件導通,隨著功率的提高,整流橋上消耗的功率也會隨之增加,從而提高了電源的發熱損失,降低了電源效率;

(2) 該Boost電路有很高的開關頻率,增大了電路的開關損耗;

(3) 直流側的二極管降低了直流電壓,增加了電路功耗和不穩定性。

應用這里所提出的交流斬波功率因數校正電路,可以解決傳統校正電路中存在的以上問題[5]。

圖1 傳統的單相功率因數校正電路

3 交流斬波功率因數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校正電路

Boost型交流斬波功率因數校正電路的基本結構如圖2所示。

圖2 Boost型交流斬波功率因數校正電路

Q為雙向開關管。當開關管導通時,輸入電流通過電感和開關管,電感儲能,同時直流側濾波電容給負載供電;當開關管斷開時,輸入電流經過電感和整流二極管到達負載端,電感儲能和交流電源同時給負載和電容供電。

可以看出,與傳統的功率因數校正電路相比較,具有以下優點:當開關管導通時,主回路電流不經過整流橋的二極管,減小了功率損耗;傳統電路中的快速恢復二極管VD在交流斬波功率因數校正電路中也不存在了,減小了功率損耗,提高了系統的工作可靠性。

該電路相當于兩個Boost電路的并聯,在克服傳統Boost PFC電路缺點的同時,保留了升壓電路的優點。該方法的優點在于:

(1) 增強了傳統PFC電路的諧波抑制和功率因數校正能力,可實現單位功率因數;

(2) 交流側的電感增強了電路的電磁兼容性;

(3) 降低了電路的傳導損失,任何時刻都只有兩個半導體器件導通;

(4) 通過開關管M1和M2的額定電流較小。

3.2 Buck型交流斬波功率因數校正電路

圖3所示的為Buck功率因數校正電路的基本結構,Q為雙向開關管。當開關管斷開時,輸入電流通過電感、電容和開關管,電容C1儲能。

圖3 buck型交流斬波功率因數校正電路

當開關管導通時,此時輸入電流經過整流二極管到達負載端,電容儲能和交流電源同時給負載和電容供電。可以看出,Buck型交流斬波功率因數校正電路中,當開關管斷開,主回路電流不經過整流橋的二極管,可達到減小功率損耗的目的[6,7]。

4 仿真分析

Simulink軟件是Matlab軟件包的擴展,專門用于動態系統的仿真,具有很強的動態系統仿真能力,仿真速度較快,特別是基于Simulink Power System 工具箱進行功率因數校正電路的仿真,有兩個優點:

(1) 基于器件模型,可以仿真器件參數變化對系統的影響;

(2) 仿真模型復雜,精度較高?？梢詫⒂嬎銠C仿真技術運用到PFC裝置的分析和設計中[8]。

以Boost 型為例,對文中所提出的交流斬波功率因數校正電路進行仿真分析。功率因數校正電路采用輸入電流斷續工作模式的峰值電流控制,仿真參數: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入穩態后,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。整個仿真時間段內的功率因數約為0.997。

從圖6可看出,輸出電壓隨著仿真時間的進行,逐漸趨于穩定狀態,輸出電壓在300 V上下波動,符合電路設計要求。

圖4 Boost型交流斬波功率因數校正電路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 語

這里討論了應用較為成熟的單相Boost PFC電路的不足,介紹一種新型單相交流斬波功率因數校正電路,分析了其工作原理,并給出了仿真波形。結果表明,輸入電流具有很高的品質因數,基本為標準的正弦波形,與輸入電壓相位相近,實現了高功率因數。與傳統的電路相比,能減少系統的功耗,提高系統工作的可靠性,而取得相同的控制效果。仿真結果驗證了方案的可行性。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。

參考文獻

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