單周期控制的無(wú)橋APFC電路仿真研究

摘 要： 為達(dá)到功率因數(shù)校正（PFC）的目的；采用單周期的控制方法，來(lái)控制開關(guān)變換器的開關(guān)管使交流輸入電流波形跟蹤交流輸入電壓波形，從而實(shí)現(xiàn)交流電流波形正弦化。應(yīng)用Matlab軟件對(duì)設(shè)計(jì)的電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明單周期控制的無(wú)橋功率因數(shù)校正電路具有很好的校正效果，而且該電路具有開關(guān)器件少，功耗低，電路體積小和控制電路簡(jiǎn)單的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 單周期控制； 無(wú)橋； APFC； Matlab軟件

中圖分類號(hào)： TN710?34； TM714.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）19?0131?04

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)中整流器、開關(guān)電源等非線性負(fù)載不斷增加。這些存在沖擊性的用電設(shè)備，將引起網(wǎng)側(cè)輸入電流發(fā)生嚴(yán)重畸變，產(chǎn)生大量諧波污染，導(dǎo)致電網(wǎng)功率因數(shù)過低，所以提高功率因數(shù)勢(shì)在必行[1]。

早期功率因數(shù)校正采用在整流器后加濾波電感電容實(shí)現(xiàn)，功率因數(shù)一般只有0.6左右；在20世紀(jì)90年代，有源功率因數(shù)校正（APFC）產(chǎn)生，是在整流器和負(fù)載之間接入一個(gè) DC/DC開關(guān)變換器，其基本原理是通過控制電路強(qiáng)迫交流輸入電流波形跟蹤交流輸入電壓波形，從而實(shí)現(xiàn)交流電流波形正弦化，并與交流輸入電壓波形同步，功率因數(shù)可提高到0.99以上。

1 APFC電路拓?fù)?/p>

1.1 傳統(tǒng)有橋APFC拓?fù)?/p>

傳統(tǒng)Boost APFC電路組成由整流橋和PFC組成，如圖1所示。工作時(shí)流通路徑有三個(gè)半導(dǎo)體工作，功率因數(shù)低。當(dāng)變換器功率和開關(guān)頻率提高時(shí)，系統(tǒng)通態(tài)損耗明顯增加，整體效率低[2]，且控制電路較復(fù)雜。

1.2 基本無(wú)橋APFC拓?fù)?/p>

針對(duì)傳統(tǒng)有橋電路的問題，本文提出了既能提高PF而且通態(tài)損耗低的無(wú)橋電路，如圖2所示。表1為有橋拓?fù)浜蜔o(wú)橋拓?fù)涞膶?duì)比。

從表1看出，當(dāng)MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)，無(wú)橋APFC相對(duì)于有橋APFC都節(jié)省了一個(gè)二極管。經(jīng)過理論計(jì)算后得出，無(wú)橋拓?fù)銩PFC在全功率輸入時(shí)，可提高約1%的效率[3]。而且無(wú)橋拓?fù)涓陔娐芳苫５緹o(wú)橋Boost APFC電路存在共模干擾嚴(yán)重、電流采樣難的問題。

1.3 雙二極管式無(wú)橋APFC拓?fù)?/p>

為了解決基本無(wú)橋Boost APFC電路EMI嚴(yán)重、電流采樣難的問題，對(duì)基本無(wú)橋Boost APFC電路加以改進(jìn)，如圖3所示，在基本無(wú)橋Boost APFC電路上增加兩個(gè)快恢復(fù)二極管VD3和VD4。

圖3中，電阻[Rs]為電感中的電流檢測(cè)電阻，使電流檢測(cè)電路減化。雖然[Rs]在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定損耗，但只要阻值選擇合適，檢測(cè)電阻的損耗占整個(gè)功率損耗的百分比很小[2]。這樣交直流側(cè)共地，達(dá)到抑制共模干擾的目的。

1.4 雙二極管式無(wú)橋拓?fù)涔ぷ髟?/p>

雙二極管式無(wú)橋電路工作過程如下[4?5]：

（1）電源電壓正半周時(shí)，如圖4所示，圖4中粗黑線所示即為輸入電壓正半周時(shí)電流路徑。

模態(tài)一：二極管VD1，VD2反偏截止。控制開關(guān)管VT1導(dǎo)通，輸入電流從電源正極經(jīng)[L1，]VT1，VD4回到電源負(fù)極形成電流通路，給電感[L1]儲(chǔ)能。負(fù)載由儲(chǔ)能電容[C]提供能量。

模態(tài)二：開關(guān)管VT1關(guān)斷，電感電流突變時(shí)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)使二極管VD1正偏導(dǎo)通，電流經(jīng)電感[L1，]VD1，VD3構(gòu)成回路。此時(shí)電感釋放能量，電容[C]及負(fù)載[RL]由電感和電源串聯(lián)供電。

（2）電源電壓負(fù)半周工作模態(tài)如圖5所示，圖5中粗黑線所示即為輸入電壓負(fù)半周時(shí)電流路徑。

模態(tài)三：VD1，VD2截止。控制開關(guān)管VT2導(dǎo)通，輸入電流從電源正極經(jīng)[L2，]VT2，VD3回到電源負(fù)極形成電流通路，給電感[L2]儲(chǔ)能。負(fù)載由儲(chǔ)能電容[C]提供能量。

模態(tài)四：開關(guān)管VT2關(guān)斷，VD2導(dǎo)通，電流經(jīng)電感[L2，]VD2，VD4構(gòu)成回路。此時(shí)電感釋放能量，電容[C]及負(fù)載[RL]由電感和電源串聯(lián)供電。

2 APFC控制方案

功率因數(shù)校正傳統(tǒng)的控制方案有三種即峰值電流控制、滯環(huán)電流控制、平均電流控制。但傳統(tǒng)的控制方案必須以乘法器為核心， 使得控制電路復(fù)雜。

本文選用無(wú)需乘法器的新控制方法?單周期控制。單周期控制的最大特點(diǎn)是：通過控制開關(guān)的占空比，讓電路無(wú)論處在穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)都能使受控量的平均值恰好等于或正比于給定VREF，從而在一個(gè)周期內(nèi)有效地抑制了電源側(cè)的擾動(dòng)。單周期控制技術(shù)在控制回路中不需要誤差綜合，具有系統(tǒng)響應(yīng)快、開關(guān)頻率恒定、電流畸變小、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，在APFC電路的新型控制技術(shù)應(yīng)用廣泛。

IR1150是一種CCM控制芯片[6?7]，它采用了IR公司特有的單周期控制技術(shù)，為APFC電路提供了一種低成本、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單的解決方案。該芯片內(nèi)部主要由電壓誤差放大器、電流檢測(cè)放大器、復(fù)位積分器、PWM比較器以及RS觸發(fā)器組成，另外還有7 V參考電壓和一些保護(hù)電路。核心電路為積分復(fù)位器，如圖6所示。

其控制環(huán)路包括電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)[8?9]，電流環(huán)采用了內(nèi)嵌式的輸入電壓信號(hào)，通過脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)與輸入電壓相關(guān)的占空比，使輸入平均電流跟隨輸入電壓且為正弦波，只要電路工作在連續(xù)模式，這種跟蹤關(guān)系就能維持。單周期工作波形如圖7所示。

3 無(wú)橋APFC電路仿真

3.1 仿真電路

本文采用MATLAB Simulink中的SimPowersystems模塊集里的模塊搭建無(wú)橋有源功率因數(shù)校正仿真電路，如圖8所示。

仿真參數(shù)設(shè)計(jì)：輸入交流電壓15 V，50 Hz；輸出直流電壓28 V；升壓電感[L1=L2=]90 μH；輸出電容[C=]400 μF；[f=]100 kHz。

如圖8所示，虛線框內(nèi)為雙二極管式無(wú)橋APFC主電路。其中：ui是輸入交流15 V電源，VD1～VD4是快恢復(fù)二極管，VT1，VT2是開關(guān)管。[L1，L2]為升壓電感，[Cout]是輸出電容，[RL]是直流負(fù)載，[R1，R2，R3]是輸出電壓采樣電阻，[Rs]是輸入電流檢測(cè)電阻，Subsystem1是功率因數(shù)測(cè)量子系統(tǒng)。示波器u/i，示波器i，示波器uo，示波器PF分別用來(lái)測(cè)量輸入交流電壓電流，輸入交流電流，輸出直流電壓，系統(tǒng)功率因數(shù)。

圖8實(shí)線框內(nèi)為單周期控制的驅(qū)動(dòng)電路，其控制原理是調(diào)制電壓[Vm]由主電路輸出電壓經(jīng)分壓電阻[R3]得到的反饋電壓與7 V基準(zhǔn)電壓[VREF]比較后所得，并分為兩路：[Vm]與電流檢測(cè)信號(hào)[IinRs]經(jīng)過運(yùn)算得到[Vm-IinRs；]積分器對(duì)調(diào)制電壓[Vm]積分得到三角波[Vmdt。]

在脈沖來(lái)臨時(shí)，積分器工作，然后以上兩路信號(hào)進(jìn)行比較，當(dāng)[Vm-IinRs>Vmdt]時(shí)，比較器輸出為1，驅(qū)動(dòng)開關(guān)管開通；當(dāng)[Vm-IinRs≤Vmdt]時(shí)，比較器輸出為0，開關(guān)管關(guān)斷。

3.2 仿真結(jié)果

圖9（a）為輸入電流波形，可以看到電路穩(wěn)定后，基本為正弦波。圖9（b）是對(duì)輸入電流在0.102～0.103 s的仿真時(shí)間內(nèi)進(jìn)行局部放大，可以清楚地看到輸入電流能及時(shí)地跟蹤輸入電壓，達(dá)到功率校正的目的。

經(jīng)過仿真分析，由圖10看出輸入電流波形為連續(xù)的正弦波，與輸入電壓波形同相位。由圖11看出系統(tǒng)穩(wěn)定后輸出直流電壓達(dá)到28 V，滿足設(shè)計(jì)要求。由圖12看出交流網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高達(dá)0.999。由圖13看出輸入電流諧波畸變率為6.82%，滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)。所以，設(shè)計(jì)的單周期控制的無(wú)橋APFC達(dá)到設(shè)計(jì)目的。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文采用的單周期控制的無(wú)橋APFC，主電路所用開關(guān)器件少，電路效率高，而且利于電路集成化；控制方案不再需要乘法器，簡(jiǎn)單易于實(shí)現(xiàn)。從仿真結(jié)果看，該電路達(dá)到功率因數(shù)校正的目的。

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