提高交-直流電源變換電路功率因素的架構設計

葉 猛, 李凱抒

(南京大學 電工電子實驗教學中心,江蘇 南京 210093)

0 引 言

以開關電源[1-4]為代表的各種電子電力設備在各行業的廣泛應用， 既促進了經濟的發展，又改善了百姓的生活，但同時會對電力系統造成嚴重的諧波危害[5-7]。表現在以下幾方面：諧波可造成自動設備和繼電裝置的誤操作，諧波電流會作用于電網電壓使其產生畸變，嚴重地會破壞電力電子設備。通常，解決諧波危害方法有：用無源濾波或有源濾波電路來消除諧波，但電路修正之后功率因數還是較為低下，若采用功率因數修正技術[8]，可將功率因數提高到0.9以上。對于交-直流開關電源需滿足輸入電壓與輸入電流同相位，同為正弦波。當前，有源功率因數修正技術多數對電路仿真研究的很少，在采用或未采用有源功率因數修正下，對在不同輸入電壓值和輸出端負載阻值的情形時, 電路仿真結果很少有進行比較和分析的，而這些會直接影響功率因數[9]修正效果，電路的穩定性。而這些正是本文所做的工作。

1 結構框圖

有源功率因數修正的基本原理是：修正輸入電壓電流，讓輸入電流、電壓始終保持同相位，從而使之功率因數得以提高，主電路包括濾波、整流、DC-DC變換構成。控制電路由電流誤差放大、PWM比較、柵極驅動、電壓誤差放大和乘法器組成[10]。圖1是有源功率因數修正電路框圖。

圖1 功率因數修正電路框圖

DC-Output的電壓和基準電壓比較后，送入電壓誤差放大，電壓誤差輸出的信號與整流輸出的電壓信號一起輸入乘法器電路，產生的信號作為基準電流，與整流輸出的電流信號一起輸入電流誤差放大。輸出信號經過脈寬調節器加到功率開關管的柵極，從而控制該管的通斷，使得整流后的輸入電壓與輸入電流無相位差，且同頻，這樣可減少電流諧波造成的損害，提高功率因數。

2 主電路

主電路由濾波、橋整流、DC-DC變換及負載構成，基本原理圖如圖2所示。

圖2 主電路部分

DC-DC電壓增強變換器在主電路中的作用是最主要的，設開關管S導通時長為ton，關斷時長為toff，則電路的周期T=ton+toff，可設占空比η=ton∕T，則可導出U0=1*UZ∕(1-η)(UZ為變換器的輸入電壓)。結論：η越大，U0就越大，若η被有效控制，則輸出電壓可得以控制。

3 控制電路

控制電路由電壓誤差放大、乘法器、電流誤差放大、驅動功率管工作等構成[11-12]，如圖3所示。

原理：有源功率因數修正電路之輸出電壓U0經過R3、R4分壓得到的輸出電壓值，和參考值Uref經過比較后，進入電壓誤差放大器U1, U1的輸出信號與整流后的輸入電壓Uin經R1、R2分壓后得到輸入電壓檢測值一并送入乘法器電路U2, 可產生基準電流, 由整流后的輸入Uin取樣的意義是讓基準電流與整流后的電壓波形同相位，基準電流信號與U3采樣的電感電流檢測值流經放大器U4先比較、后放大輸出。輸出信號與U3產生的鋸齒波一起送入電壓比較器U5，如此, U4的輸出控制U5輸出的PWM信號之占空比，強迫電感電流與其平均電流一致。如果電感電流增大，比較器U5輸出的占空比就會下降，導致電感電流降低：若電感電流減小時，U5的輸出占空比就上升，導致電感電流增加。當U0增大時，U1的輸出下降，乘法器輸出基準電流變小，電感上電流也減少，使輸出電壓U0減少；反之，電感電流增加，導致輸出電壓增大[13]。

圖3 控制電路部分

本電路設計主要指標如下：輸入交流電壓150～270 V，輸入工頻50 Hz,輸出電壓600 V左右，輸出功率約600 W。管子開關頻率99 kHz。以下是全電路數據設計:提高型變換器升壓電感值L=1.3 mH;輸出電容 取維持時間35 ms. 則C=200 μF;功率開關管選1 000 V,160 A, 二極管選800 V,16 A,恢復時間75 ns的管子;電流取樣電阻0.2 kΩ;電流峰值限制電阻R3=10 kΩ,R4=2 kΩ;前饋分壓電阻R1=910 kΩ,R2=42 kΩ;乘法器外圍R5=610 kΩ,R9=160 kΩ,R10=2 kΩ;振蕩器C2=2 nF,R6=5.6 kΩ;電流誤差補償R7=25 kΩ,C8=390 pF,C9=62 pF;電壓誤差補償C1=0.42 μF,R8(分壓)=6.5 kΩ,R9=30 kΩ。

4 仿真實驗

利用OR-CAD進行電路仿真與結果分析時，對一未用和采用有源功率因數修正的電源電路對比它們的輸入電壓、輸入電流波形、諧波成分，輸出電壓。得出結論：前者輸入電流呈脈沖狀，諧波分量大，功率因數低輸入電流總諧波畸變因數值1.2以上；后者輸出電壓基本穩定在某一數值。輸入電流和電壓保持同相，呈正弦狀，諧波少，功因數高，諧波畸變因數值低于0.04。若將電路電感值增大些，對電路改進前后比較：輸入電流紋波得到改善，如此，可增加功率因數。諧波危害可進一步降低。

兩者電路在輸入不同有效值電壓時(150～270 V，輸出負載接650 Ω)可得仿真結論：輸出端電壓基本保持600 V左右，紋波電壓峰值小于10 V，輸入電流保持與550 V，輸入電壓同相位諧波畸變因數小于0.03. 當輸入電壓為270 V時，此時的輸入電流相比輸入電壓150 V時，要降低一些，以維持輸入輸入功率的恒定。所以修正過的電路能夠保證輸入電流正弦化以及輸出電壓始終穩定，獲得高功率因數。

兩者電路負載值不同時(負載接450 Ω,550 Ω時)，顯然，輸出電壓是不同的，進而影響電路的性能。輸入220 V，仿真結論是：若接負載阻值小，輸出電壓相應小，但波動不大，輸入電流稍有增加。總體看來：輸入電壓與電流保持同相位，諧波畸變因數小于0.04，輸出電壓穩定在600 V。當負載繼續加大，1.2、1.4、2、6 kΩ后，總體上：輸入電流仍可跟蹤輸入電壓波形，同相位，電路總諧畸因數小于0.05，輸出電壓較穩定，功率因數高，但負載過大時，輸出電壓上升很快，諧畸因數過大，輸出端應設保護措施。

動態仿真分析：輸入電壓突變增大，則輸出電壓在某一瞬時點處會略有增大，后經極短的時間，電路入穩態，輸出電壓保持在某一電壓值，輸入電流與電壓保持同相，僅電流幅值在輸入電壓增大后有所減小，為保持輸出功率的恒定。若輸入電壓突變減小，則情況與以上相反，但輸入電流還是與電壓同相位，進入穩態后，輸出電壓恒定在某一電壓值。負載阻值突變增大(保持輸入電壓不變)，輸出電壓會突升，經短時波動后保持穩定，紋波電壓減小些，輸入電流與電壓保持同相，正弦形態，僅僅電流幅度有所減小，解決這問題的方法是適當地增大電壓環路的增益。當負載值突減小時，輸出電壓下降，短時之后就保持恒定，紋波稍變大，輸入電流與電壓保持同相，幅值增加一些[15]。

5 結 語

有源功率因數修正電路控制部分是以一塊芯片為核心組成的電壓和電流反饋補償電路的設計影響整個修正電路的修正精度。

仿真電路是經過檢驗，正確的。可根據仿真獲得最佳的實際電路參數。整個電路抗變化性能強，動態性能也好，輸入電流的紋波顯著地降低，電路功率因數得到改善，總諧波畸變因數僅在0.04以下，達到了消除電網中的諧波不利的成分。實驗中發現：開關管的開關應力較大，應著力減小開關的應力。管子過壓保護設計等，這些是今后應研究的問題。

[1] 周志敏,周紀海,紀愛華. 開關電源功率因數校正電路設計與應用[M].北京:人民郵電出版社,2004.

[2] Michael Evzelman, Sam Ben-Yaakov. A generic model of a gyrator based APFC[C]//Applied Power Electronics 24thConference and Expoosition, 2009(2): 755-759.

[3] 錢振宇,史建華.開關電源的電磁兼容性設計, 測試和典型案例[M]. 北京:電子工業出版社,2011.

[4] 楊玉崗. 現代電力電子的磁技術[M].北京:科學出版社,2003.

[5] Michael HARTMANN, Andreas MUSING, Johann W KOLAR. Switching transient shaping of RF power MOSFETS for a 2.5 MHZ, three-phase PFC[C]//The 7thInternational Conference on Power Electronics,2007: 1160-1166.

[6] Wang Su, He Ming. Research and simulation of active power factor correction [C]//Consumer Electronnics, Communications and Networks, 2011 International Conference, 2011:5156-5158.

[7] 李定宣. 開關穩定電源設計與應用[M]. 北京:中國電力出版社,2006.

[8] 蔡宣三,龔紹文. 高頻功率電子學[M]. 北京: 水利水電出版社, 2009.

[9] 王兆安,劉進軍.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社,2009.

[10] 楊 旭,裴云慶,王兆安.開關電源技術[M]. 北京:機械工業出版社,2004.

[11] 張占松,蔡宣三.開關電源的原理與設計(修訂版)[M]. 北京:電子工業出版社,2004.

[12] Laszlo Huber, Jindong Zhang. Generalized topologies of sigle-stage input-current-shaping circuits[C]//Power Electronics Specialists 31stConference, 2000,3:1336-1341.

[13] Zheren Lai, Keyue M Smedley.Time quantity one-cycle control for power-factor correctors[J]. IEEE Transactions on Power Electronics,1997,12(2):369-375.

[14] Lu Di, Li Xiang, Liu Chen. PFC study based on ZVT-PWM soft-switching technology[C]//Power Electronics for Distributed Generation Systems, 2010 2ndIEEE International Symposium, 2010,6:148-151.

[15] Wu Li-hua, Gao Hui-zhi, Ma Huai-jiang. The APFC system based on an improved duty cycle control algorithm[C]//Strategic Technology, 2011 6thInternational Forum, 2011,8:570-574.