單相Boost有源功率因數校正電路的研究

黃燦勝，蔣志年

（廣西民族師范學院，廣西 崇左 532200）

單相Boost有源功率因數校正電路的研究

黃燦勝，蔣志年

（廣西民族師范學院，廣西 崇左 532200）

基于平均電流模式控制技術，設計并制作了一臺1 kW單相Boost有源功率因數校正裝置。功率因數校正系統設計采用雙閉環控制方法，電流內環實現樣機輸入電流跟蹤輸入電壓按正弦規律變化，電壓外環維持輸出電壓不變。實驗結果表明，實驗樣機可獲得高功率因數，電流畸變小，并且樣機動態響應速度快、抗干擾能力強。

功率因數校正；Boost變換器；平均電流控制模式；雙閉環控制

隨著電力電子技術的發展，大量電力電子裝置作為負載接入電網，產生大量的諧波電流，造成電網諧波污染，嚴重影響電網的供電質量，并對接入電網的其它設備造成危害。目前功率因數校正技術是減小甚至消除電網諧波污染的最好方式。功率因數校正技術可分為無源功率因數校正技術[1]和有源功率因數校正技術[2]。無源功率因數校正技術采用無源器件電感、電容構成濾波器，減小電網諧波，但其工作頻率為工頻，濾波器體積龐大，且不能實現高功率因數。有源功率因數校正技術通過控制有源器件（如功率開關管）的開通與關斷的時間，迫使輸入電流跟隨輸入電壓按正弦規律變化，實現功率因數校正，并獲得穩定的輸出電壓。有源功率因數校正技術工作頻率高，其體積有效減小，可獲得高功率因數，且電流畸變小，所以是解決電網諧波污染問題最具吸引力的方法。

本文以Unitrod公司設計生產的專用平均電流控制功率因數校正芯片UC3854為核心，設計并研制了一臺1 000W的單相有源功率因數校正裝置。裝置采用電流內環、電壓外環的雙閉環控制方法[3]，通過負反饋控制實現輸入電流跟蹤輸入電壓按正弦規律變化，提高裝置功率因數，并穩定輸出電壓。

1 電路工作原理

1.1 有源功率因數校正

隨著電力電子技術的發展，有源功率因數校正技術不斷涌現出新型的拓撲結構，常見的有：降壓式(Buck)APFC、反激式(Flyback)APFC、交錯并聯式APFC、無橋式APFC、升壓式(Boost)APFC。其中升壓式APFC如圖1所示，其輸入電流連續，電流紋波小，易于進行EMI濾波；輸入電感L可以抑制電路的快速瞬變，可增強電路的可靠性；輸出電壓高于輸入電壓，可應用于輸出高壓場合，是目前應用最廣泛的拓撲類型。

圖1 Boost升壓電路

目前，APFC常用的控制方式有峰值電流控制、滯環電流控制和平均電流控制等，其中，平均電流控制的電流畸變率小、電磁干擾易處理、對噪聲不敏感、不需進行諧波補償、且易于進行均流，適用于高功率場合。鑒于此，本文基于Boost升壓主電路，采用平均電流控制技術來實現有源功率因數校正，其原理如圖2所示。其基本工作原理是：輸出電壓經電壓誤差放大器得到的電壓誤差信號，與檢測的輸入電流信號、檢測的電壓信號一起送入乘法器，得到電流環的給定信號并送入電流誤差放大器的同相輸入端，與采樣得到的輸入電流進行比較，輸出的電流誤差信號送入PWM比較器，與一定幅值的三角諧波進行比較，產生PWM信號并經驅動電路控制開關管的開通與關斷。

1.2 控制環路的設計

Boost升壓電路有兩個儲能元件：電感L和電容C，因此為二階系統。為了簡化系統的設計，可將控制對象進行降階處理[4]。本文采用電流內環、電壓外環的雙閉環控制方式，按先內環后外環的設計原則。

第一步優化電流內環，其控制框圖如圖3所示。如果系統的開關頻率遠大于電流環的截止頻率，工程上為5～10倍，甚至10倍以上，則從電流環看輸出電容上的電壓維持不變，其相當于一個受控電壓源，此時電流環控制對象簡化為一階系統，如式（1）：

圖2 平均電流控制APFC原理圖

圖3 電流環的控制框圖

PWM比較器傳遞函數如式（2）：

由圖2得電流調節器傳遞函數，如式（3）：

則電流環的傳遞函數如式（4）所示：

第二步設計電壓外環，其控制框圖如圖4所示。電壓外環的截止頻率受電流環截止頻率的限制，一般取電流環截止頻率的五分之一以上。另一方面，對于功率因數校正拓撲來說，電壓外環的截止頻率還受限于電網整流后所得正弦半波電壓的頻率（100 Hz）。因此，選取的電壓外環截止頻率遠遠小于電流內環，從電壓外環看向電流內環，電感相當于一個恒流源，電壓外環的控制對象可簡化，如式（5）所示：

圖4 電壓外環的控制框圖

由圖2得電壓調節器的傳遞函數，如式（6）：

則電壓環的傳遞函數如式（7）所示：

2 電路實現

設計的單相有源功率因數校正裝置主電路為常規Boost升壓電路，控制電路以Unitrod公司生產的單周控制專用芯片UC3854為核心，裝置具體性能指標有：輸入電壓80～270 V，AC 50 Hz；輸出功率1 000W；輸出電壓400 V/DC，開關頻率100 kHz；功率因數0.99。

2.1 電路的設計過程

依據電路的性能指標及工作原理，給出關鍵點參數的設計過程，具體如下：

（1）經計算電路的峰值電流為10 A，開關管上的管壓降為輸出電壓400 V，在留有裕量的前提下，選取開關管的型號為ATP5025，耐壓500 V，額定電流25 A；選取的功率二極管為快恢復二極管，型號DSEP30-60A，耐壓600 V，額定電流30 A。

（2）電感值的大小主要取決于開關頻率及電路輸入峰值電流的紋波，為了保證電路工作于連續模式，一般取紋波電流大小為最大輸入峰值的20%，通過計算，本設計所選電感值大小為0.5mH。

（3）輸出電容在開關管關斷時向負載提供能量，維持輸出電壓不變，所以輸出電容需足夠大。工程上輸出電容的典型值為每瓦特1～2μF，本設計取兩個450 V/560μF電容并聯獲得1 120μF電容。

（4）控制電路環路的設計應遵循先內環后外環的原則。本文所選開關頻率為100 kHz，則電流環的截止頻率選取10 kHz，為了滿足45°的相頻域度，電流調節器的零點放在電流環截止頻率處。為了增強抗干擾能力，其極點放在開關頻率處；電壓外環的截止頻率受限于電網整流后所得正弦半波電壓的頻率，則本文電壓外環截止頻率選取10Hz。

2.2 電路仿真及實驗結果分析

在Matlab/Simulink軟件中搭建平均電流模式的APFC模型進行仿真，仿真結果如圖5、圖6所示。圖5為未校正前大電容濾波的整流器網側輸入電壓（粉紅色）、電流（綠色）波形，電流波形為尖峰脈沖，功率因數低。圖6為加入APFC后網側輸入電壓、電流波形，由圖可見電流跟蹤電壓按正弦規律變化，功率因數高。

為了驗證仿真結果，實驗室搭建了一臺1 000W實驗樣機，并測試了樣機關鍵點的實驗波形。圖7為未校正前網側輸入電壓與輸入電流波形，圖8為校正后網側輸入電壓與輸入電流波形。實驗證明，大電容整流濾波后加入APFC可以有效提高功率因數。圖9為開關管驅動電壓GS及漏源極電壓DS波形。

圖5 未校正前輸入電壓電流波形仿真

圖6 校正后的電壓電流波形仿真

圖7 未校正前輸入電壓、電流波形

圖8 校正后輸入電壓、電流波形

圖9 主開關管驅動電壓、漏源極電壓波形

3 結論

本文基于平均電流控制技術，采取電流內外和電壓外環的雙閉環控制方案，優化系統設計，并制作了一臺1 000W單相APFC實驗樣機。實驗結果表明，裝置輸入電流可以有效跟蹤輸入電壓按正弦規律變化，輸入電流畸變小，輸出電壓恒定；裝置功率因數高，抗干擾性能好，動態響應快。

[1]熊臘森，萬升云，余愛民.電源諧波無源功率因數校正方法的研究[J].電焊機，2003，33(12)：26-27.

[2]金祖敏，劉宇.單級橋式有源功率因數校正變換器拓撲研究[J].電力電子技術，2007，5(8)：4-6.

[3]鄭越，石曉麗，黃付剛.雙閉環控制策略的有源功率因數校正電源研究[J].電源世界，2007(11)：36-39.

[4]楊汝.平均電流模式的控制電路的設計[J].電力電子技術，2002 (4)：66-69.

Research of single-phase Boostactive power factor correction circuit

HUANG Can-sheng,JIANG Zhi-nian

Based on the average current control technology,an 1 kW single-phase Boost active power factor correction circuitwas designed and implemented.The double close-loop controlwas employed in the PFC systems. The internal current loop controled the input current of the converter so that the input current followed the sine curve of the rectified input voltage.The externalvoltage loop could achieve constant output voltage.Experimental results proved thathigh power factor and little current distortion can be realized.Meanwhile,the converter has high dynam ic response and strong anti jamm ing capability.

power factor correction;Boost converter;average current controlmode;double close-loop control

TM 743

A

1002-087 X(2014)05-0938-03

2013-10-20

廣西教育廳科研項目(200103YB144)

黃燦勝(1970—)，男，廣西壯族自治區人，工程師，主要研究方向為電子信息技術。