單相Boost APFC電路的設計與分析

汪子琦，厲偉

(沈陽工業大學 電氣工程學院，遼寧 沈陽 110870)

1 引言

目前，電力電子技術日益廣泛地應用到軍事、工業等技術領域。以開關電源為例，其輸入級大多利用二極管等元件構成的整流電路。這些電路為電力系統帶來嚴重的諧波問題，使電網的供電質量以及用電的安全性得不到有效保證[1]。這一負面影響在電力行業中得到了越來越多的關注。如何抑制電流脈沖的幅值，使之最大程度上接近于正弦波，成為解決這一問題的有效方法。APFC相比于無源功率因數校正技術有更加明顯的諧波抑制效果，同時對功率因數的提高更加顯著、抗干擾能力強。

APFC技術的思路就是利用功率開關的開通和關斷將電感中儲存的能量周期性地釋放到電容中，從而對電路輸入的電流大小進行控制，使電流盡量跟隨電壓的正弦波[2]。通過APFC技術，電源的功率因數得到提高，降低了整流器件對電網的諧波注入。本文介紹了電路的平均電流法控制原理，并設計了一種升壓型APFC電路。在此基礎上，利用simulink軟件對該電路搭建仿真模型，驗證了功率因數校正的有效性。

2 基于平均電流法的APFC控制原理

目前，APFC電路的控制方法的分類以電感電流的連續性進行的。其中應用最為廣泛的就是連續導電模式(CCM)[3]。本文中的APFC電路采用的是CCM下的平均電流控制。其基本原理是通過開關管控制電感電流，使其跟蹤整流電路后的電壓指令。具體的控制思路就是，當輸入電流比乘法器的輸出大，調節功率開關的占空比D，從而減小電流。反之當輸入電流的有效值小于乘法器的輸入信號時，則增大電流。這樣輸入電流和輸入電壓同相位。避免了整流元件對電網的諧波注入，提升能源效率。圖1為平均電流法Boost APFC電路圖。其控制回路分為電流環和電壓環。在連續電流模式下，電路工作時電感電流波形圖如圖2所示。

圖1 平均電流法Boost APFC電路圖

圖2 電感電流波形圖

3 Boost APFC電路的設計

3.1 電路的技術指標

Boost APFC電路在開關電源等電子裝置中應用極為廣泛。一方面能夠實現功率因數校正的目的，另一方面也能穩定輸出直流電壓，其控制較簡單適用中小功率電源中[4]。本文設計的Boost APFC電路主要技術指標如表1所示。

表1 Boost APFC電路的技術指標

3.2 升壓電感計算

Boost電路的升壓電感的在電路中有儲能、轉換和濾波的作用。輸入電壓為最小(180V)，此時輸入電流達到最大。按照表1的參數計算電流峰值：

(1)

輸入電流的紋波和電感的大小有著非常密切的關系。過大的電感能夠有效降低紋波，但是也帶來了電感尺寸的增大和成本的提升，不符合電源的小型化原則[5]。根據工程實踐的經驗，一般情況下電流的紋波系數取0.2。可以計算出電流紋波為：

ΔIL=0.2Ipk=1.024A

(2)

此時電路的占空比為：

(3)

計算得出升壓電感為：

(4)

3.3 輸出電容計算

在Boost APFC電路中輸出電容可以降低紋波，穩定輸出電壓[6]。工程實踐中一般采用按照維持時間Δt來計算，本電路的輸出電容為：

(5)

4 單相Boost APFC電路的仿真分析

為了驗證本文所設計的Boost APFC電路是否符合理論性和國家標準，利用MATLAB搭建出仿真模型。主回路的具體參數由第二部分計算得出?？刂苹芈贩譃殡娏鲀拳h和電壓外環。仿真模型整體如圖3所示。

圖3 Boost APFC電路仿真模型

輸出電壓的仿真結果可以驗證電路的輸出穩定性。圖4為輸出直流電壓的波形圖，可以看出電路啟動時電壓的最大值為420V左右，超調量為5%，之后很快達到了穩態，電壓值為設計的400V。本電路的紋波電壓不超過“±8V” ，滿足紋波率不超過2%的設計指標。

圖4 Boost APFC電路輸出電壓波形

圖5為輸入交流電壓、電流的波形圖，可以看出當電路達到穩定狀態時，輸入電流、電壓的相位基本相同，提高功率因數，達到了電路的工作目的。

圖5 Boost APFC電路輸入波形

通過Power模塊可以得到輸入的有功功率和無功功率，搭建函數模塊可以計算出cosφ的數值。圖6為電路輸入電流的功率因數cosφ變化曲線。由圖可知，當電路處于剛開始的波動時，功率因數已經達到了0.996以上；電路處于穩定的狀態時，功率因數大于0.999。在實際的APFC電路中可能有所降低，但是依然能夠滿足國家標準的要求。

圖6 Boost APFC電路的功率因數變化曲線

快速傅里葉變換(FFT)在數字處理領域是許多數字信號處理方法的基礎[7]。通過FFT工具箱析輸入電流。圖7為仿真結果，THD僅為1.9%，滿足設計標準。

圖7 輸入電流的FFT分析頻譜

5 結論

針對整流器件對電網產生的諧波污染問題，本文分析APFC電路在CCM下的平均電流控制原理，并設計了Boost APFC電路。針對設計的電路搭建模型進行仿真，該電路能夠將功率因數提升至0.996，總諧波失真為1.9%，符合國家標準。