采用乘法器方案的Boost PFC變換器仿真研究

摘要：文章將乘法器引入Boost變換器，實現了功率因數校正，在介紹Boost電路原理的基礎上，總結了乘法器方案下Boost PFC變換器的工作原理，給出了乘法器方案的Boost變換器實現功率因數校正的控制目標和實現方式，并通過PSIM仿真實驗得到仿真結果，其結果表明乘法器方案適合于Boost PFC變換器中。

關鍵詞：PSIM仿真實驗；Boost PFC變換器；功率因數校正；乘法器方案；諧波污染 文獻標識碼：A

中圖分類號：TM921 文章編號：1009-2374（2015）14-0017-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.14.009

1 概述

從電網獲取交流電經整流為各種電氣設備提供直流電是一種常用的變流方案，但整流裝置、電感、電容組成的濾波器中非線性元件和儲能元件的存在使輸入交流電流波形發生嚴重畸變，呈尖峰脈沖狀，網側輸入功率因數降低。電網電流的畸變由于電網阻抗反過來影響電網電壓，造成諧波污染。諧波的存在使電網中元件產生附加損耗，會降低用電設備的效率；會影響電器設備的正常工作及其壽命；會導致繼電保護和自動裝置誤動作，并使電器測量儀表計量不準確；會降低電網功率因數等系列危害。由于電力電子裝置是現在最主要的諧波污染源，這已經阻礙了電力電子技術的發展，它迫使電力電子領域的研究人員對諧波的污染問題要給出有效的解決方案。

為了解決電力電子裝置的諧波污染問題，基本思路有兩條：一條是裝設諧波補償裝置來補償諧波；另一條是對電力電子裝置本身進行改造，提高輸入端的功率因數。對于新型的電力電子設備，多采用后一種思路，即加入功率因數校正器，它的原理就是在整流器與負載直接接入DC-DC開關變換器，應用電流反饋技術，使得輸入端電流的波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，可使得輸入端電流接近正弦波，從而使得輸入端的諧波畸變率THD小，功率因數提高。功率因數是電源對電網供電質量的一個重要的指標。

許多發達國家率先采用了多種功率因數校正（PFC）方法來實現“綠色能源”革命，并強制推行了國際標準IEC555-2、EN60555-2等，限制了電子生產廠家入網電氣設備的電流諧波值。目前，有源功率因數校正（APFC）技術是解決諧波污染最有效的方法之一。

PFC的英文全稱為“Power Factor Correction”，功率因數指的是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關系，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值?；旧瞎β室蛩乜梢院饬侩娏Ρ挥行Ю玫某潭龋敼β室驍抵翟酱?，代表其電力利用率越高。PFC的實現方式多樣，其中在過去二十年中，工業上高性能的CCM Boost PFC變換器一直采用乘法器控制法來實現。該方法包括三種電流連續控制方法：平均電流控制、峰值電流控制和滯環控制，其中平均電流控制具有穩定性高、無需斜率補償以及抗噪聲能力強等優點而廣泛采用。

2 仿真分析

本章將運用PSIM仿真軟件對Boost PFC電路進行仿真分析，并得到仿真結果。

2.1 仿真電路介紹

根據對Boost PFC電路主電路、控制電路的分析，給出完整的仿真電路，如圖1所示：

圖1 Boost PFC變換器仿真電路

2.2 仿真要求

本文仿真的要求為，輸入交流電壓Vin=220V，電網頻率f=50Hz，要得到輸出直流電壓=400V，輸出功率500W，功率因數PF>0.99。并實現兩個目的：（1）控制電感電流波形，使它能跟蹤輸入電壓波形，從而得到高功率因數；（2）為后一級電路提高平滑的直流電壓。

但是由于系統存在穩態誤差，所以一面得到的輸出電壓可能穩定在390～410V之間。

2.3 仿真結果與分析

本節將使用PSIM軟件對上章閉環控制系統進行一系列系統仿真與波形分析，并得出結論。

2.3.1 控制方案有效性驗證。為了方便仿真研究，在上面給出了以下基準參數：輸入電壓為220V；輸入頻率為50Hz；輸出負載為R=330Ω；濾波電容C=0.001F；濾波電感L=0.001H；由于本文中有電壓控制環節和電流控制環節這兩個控制環節，將有2個PI控制器，所以根據需要對它們進行不同的參數設定，電壓環節PI控制器參數：G=2，TC=5；電流環節PI控制器參數：G=6，TC=0.005；三角波頻率為20kHz。

根據上文的工作原理和給出的基準參數構建出閉環控制系統的模型，并運行仿真軟件，采樣得輸出穩態電壓Vo和輸入電流Iin，得到輸入電流與輸出電壓波形如圖2和圖3分別是Vin取不同值時Vo和Io的波形圖。

第一，Vin=220V時Vo與Io的仿真波形圖。

圖2 輸入電壓Vin=220V時，Vo與Io的波形圖 圖3 輸入電壓Vin=100V時，Vo與Io的波形圖

第二，Vin=100V時Vo與Io的仿真波形圖。

通過圖2和圖3可以看出次控制方案的有效性。

2.3.2 濾波電容對輸出電壓性能的影響。

第一，濾波電容對輸出電壓紋波的影響。未來觀察濾波電容對輸出電壓紋波的影響，可以通過改變電容C，分別取大于和小于基準電容參數的值，來更好地分析濾波電容的大小對輸出電壓紋波的影響。觀察濾波電容為C=0.0005F和0.002F時輸出電壓局部放大波形。

通過比較明顯可以看出當濾波電容取值比較大時，輸出電壓紋波比較小。當濾波電容取值比較小時，輸出電壓紋波就比較大。

第二，濾波電容對輸出電壓穩態性能的研究。改變電容C的值，引用上面電容的取值，濾波電容分別取C=0.0005F和0.002F，運行仿真軟件并觀察得到的波形，可以得到以下結論：通過以上兩組實驗可以驗證濾波電容對輸出電壓特性的結論。

當濾波電容C取值較大時，輸出電壓的穩定速度就越慢，動態性能就越差，但是其靜態性能就比較好，紋波波動范圍就比較小。相反C取值比較小的時候，輸出電壓的穩定速度就越快，動態性能就越好，但是其靜態性能差，紋波波動范圍就比較大。

2.3.3 濾波電感對輸入電流特性的影響。濾波電感對電流紋波的影響。為了研究濾波電感對輸入電流特性的影響，我們分別取電感L=0.004H和0.0008H時得到的輸入電流波形，可以明顯觀察到：改變電感值將改變輸出電流的波形，當電感值取較大時，輸出電流的紋波就越小。反之，當電感值取較小時，輸出電流的紋波就越大。

2.3.4 PI控制器對輸出電壓動態性能的影響。

第一，Kp對輸出電壓動態性能的影響。通過在電壓控制環節中保持Ki的值保持不變，更改Kp值分別為1.8和2.5，觀察得到的輸出電壓波形，很容易得到以下結論：

我們可以得出當增益Ki取值比較大時，輸出電壓穩定到目標電壓的速度越快。相反，增益Ki取值比較小時，穩定到目標電壓的速度就越慢。

第二，Ki對輸出電壓動態性能的影響。這次我們保持Kp值不變，分別將Ki定為4.5和10，觀察輸出的電壓波形。得到：比較在保持Kp值不變，不同Ki值所得到的輸出電壓波形，可以發現，在Kp的值保持不變的情況下，改變Ki的取值對輸出電壓的波形影響不大。

通過以上兩組仿真實驗的結果表明，在電壓控制環節，Kp取值越大，輸出電壓穩定到目標電壓的速度就越快，動態穩定性能就越好。而改變Ki的值幾乎不影響輸出電壓的波形。

2.3.5 開關頻率對電感電流紋波的影響。在基準參數中，三角波的發生頻率為20kHz，所得的電感電流波形就是圖2中輸出電流Io的波形，現在改變三角波發生頻率，觀察其對電感電流紋波的影響。分別改變三角波的發生頻率為10kHz和30kHz，并觀察在不同三角波的發生頻率下電感電流波形，很明顯得到以下結論：通過改變三角波的發生頻率從而影響到開關頻率，從而影響電感電流的紋波。從以上兩組仿真得到當三角波的發生頻率取之較大時，電感電流紋波就小，而當三角波的發生頻率越小時，則電感電流紋波就比較大。

3 結語

本文使用PSIM仿真軟件對PFC電路進行了仿真驗證，仿真結果表明前述理論分析是正確的，整個功率因數校正系統達到設計要求，能夠達到整流、高輸入功率因數、升壓、穩壓、低紋波的目標。

參考文獻

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[2] 王玉峰，肖永江.單相Boost功率因數校正主電路模型的建立[J].電氣傳動自動化，2002，（1）.

[3] 兆安，黃俊.電力電子技術[M].北京：機械工業出版社，2000.

作者簡介：韓磊（1988-），男，江蘇南京人，南京揚子石油化工設計工程有限責任公司助理工程師。

（責任編輯：周 瓊）