基于單級PFC的智能水電站照明電源設計方法

李在強，薛 磊，彭冬麗，何思豪，王 宏

（雅礱江流域水電開發有限公司，四川 成都 610051）

智能水電站照明電源系統不僅要求能實現照明亮度調整、升降壓調節的需求，還要實現高效節能、高功率因數和低諧波的目標。而目前常用的照明電源設計方法表現為電源工作模式的選取不夠合理、控制方式的設計不夠先進、無法自動地進行有源功率因數校正，使其產生的功率因數較低，還含有大量諧波[1]。因此面向智能水電站中小功率照明電源的應用場合，設計具有功率因數校正功能的照明電源系統，降低諧波和噪聲的干擾，減少對電網的污染，提高產品的功率因數，就顯得尤為重要[2]。

有鑒于此，本文提出一種基于單相單端反激電路的智能水電站PFC照明電源設計方法。通過優化電源系統組成、確定電源工作模式及控制方式，使照明電源系統除了具有升壓或降壓功能外，還可實現輸入輸出的電氣隔離、高功率因數和低諧波的效果。

1 單相單端PFC照明電源結構和原理

1.1 照明電源組成結構

為達到水電站照明電源的升壓或降壓外，還要輸入輸出的電氣隔離、高功率因數和低諧波的目標。本照明電源系統采用單端反激的PFC（Power Factor Correction，功率因數校正）電路實現照明的升降壓功能和功率因數調整功能[3]，系統結構由整流電路、主電路、控制電路、反饋取樣電路和輸出濾波電路組成。

圖1 單級PFC照明電路原理框圖

（1）主電路

作為主電路的單級PFC電路拓撲有非隔離式和隔離式兩種選擇。非隔離式電路有Buck電路、Boost電路、Buck-Boost電路[4]；隔離式電路有：反激型電路、正激型電路。

單獨的降壓式和升壓式拓撲結構只能實現其中一種功能，存在局限性；而升/降壓拓撲結構電路復雜，無法實現電氣隔離功能；正激式拓撲結構即為輸出與輸入隔離的降壓式拓撲，只能實現降壓；反激式即為輸出與輸入隔離的升/降壓式拓撲。考慮到為實現升壓或降壓外，還要輸入輸出的電氣隔離，本文采用單端反激電路作為單級PFC的主電路[5,6]。

（2）整流電路

AC/DC電源的標準輸入電路都包括一個全橋整流電路，對輸入的交流電進行整流。一般的整流濾波電路在整流橋后面都會加一個大電容達到濾波的作用，但這樣對電路的功率因數會產生很大的影響，而要求實現較高的功率因數，所以一般會在整流橋之后加一個小電容濾除高頻成分[7]。

（3）控制電路

通過控制開關管的導通與關斷來實現功率因數校正，需要一個控制電路使輸入電流成正弦波并且同相位。但是單級PFC要實現兩個功能，另一個就是輸出電壓恒定。反激變換器是電氣隔離的，則還需電氣隔離的反饋電路將輸出信號反饋給控制電路，達到調節輸出電壓使輸出電壓恒定的功能。

（4）輸出濾波電路

為使輸出電壓更加平滑，還應對電路的輸出端再進行一次濾波，即在反激變換器的儲能電容后加上LC濾波電路。

1.2 單級PFC技術工作原理

針對照明電源要具有功率因數校正的功能，本文采用了有源功率因數校正（PFC）技術中的單級PFC，將PFC和DC/DC結合到一起，如圖2所示。該PFC方式功率因數校正技術效果較好，傳輸效率較高，并且電路設計和調試方法相對簡單而且性價比高。單級PFC是通過一個電路實現了兩個功能：控制輸入電流跟隨輸入電壓呈正弦化，提高功率因數；控制輸出電壓恒定[8]。

圖2 單級PFC電路原理圖

單級PFC的具體工作原理為：通過PWM（脈寬調制技術）來控制開關管的導通與關斷，將輸入電壓分解成脈沖電壓，然后利用二極管和電容將其轉換成平滑的直流電壓輸出，這個輸出電壓經過電阻分壓器分壓后被采樣，與一個參考電壓進入電壓誤差放大器進行比較，其輸出的誤差信號作為乘法器的一個輸入，為了實現功率因數校正，乘法器的另一個輸入是經過整流的交流輸入電壓經電阻分壓器被采樣的半正弦波信號[9]；乘法器的輸出作為電流誤差放大器的基準和來自電感的取樣電流進行比較，使其呈正弦波變化；電流誤差放大器的輸出反饋到PWM控制器，來改變其脈沖寬度的大小，通過該反饋技術使輸入電流波形跟蹤輸入電壓的正弦波波形，使輸入電流與輸入電壓同相位。此外，如果輸出電壓升高，PWM控制器脈寬減小，進而使輸出電壓降低，使輸出電壓恢復為正常輸出值，反之亦然。

1.3 單級PFC技術工作原理

單級PFC有三種工作模式，分別為不連續導電模式（DCM）、臨界導電模式（CRM）、連續導電模式（CCM）[10]。

（1）臨界導電模式（CRM）也稱過渡模式，因為流過電感的電流在兩個開關周期之間會出現下降到零的情況，顯得不連續。臨界導電模式的工作過程：在開關管導通期間，電感電流從零線性上升達到峰值；在開關管關斷期間，電感電流從峰值線性下降到零，當電感電流下降到零時正好下一開關周期開始。

（2）連續導電模式（CCM）即電感電流不會下降到零。連續導電模式的工作過程：在開關管導通期間，電感電流從零線性上升達到峰值；在開關管關斷期間，電感電流從峰值線性下降但還沒到零時，下一個開關周期就開始了。

（3）不連續導電模式（DCM）即電感電流下降到0后過一段時間下一個開關周期才到來。不連續導電模式的特點：電感內儲存的能量完全傳輸。

通過比較如表1所示的三種工作模式優缺點，臨界導電模式CRM最適合本系統的工作模式。APFC有三種電流控制方式：峰值電流控制、滯環電流控制、平均電流控制。峰值電流控制具有快速電流峰值限制功能，但電流峰值和平均值之間存在誤差，諧波電流較大；滯環電流控制簡單易實現，但負載對開關頻率影響很大；平均電流控制可用于多種功率場合，實用性較高。經比較后本系統的控制方式選擇平均電流控制。

2 單級PFC電路參數設計

2.1 主電路

基于反激變換器的單級PFC電路如圖3所示，考慮照明電源的輸入市電電壓Vin=220 V；最小交流市電頻率fac=50 Hz；開關頻率f=100 kHz；直流輸出電壓Vo=12 V；最大輸出功率Po=150 W；功率因數PF＞95%；效率η＞88%。現還需對PFC電路主要元件的參數進行選擇，假設效率η=0.9；最大占空比Dmax=70%；則最大導通時間ton-max=7us；整流二極管的壓降VD=1 V；繞組壓降VL=0.6 V，則變壓器副邊繞組電壓VS為Vo、VD、VL的總和，即13.6 V；漏感電壓V1=100 V；電壓的維持時間tHOLD=20 ms；輸出電壓過壓保護點VOVP=56 V；輸出電壓的規定范圍下限VO（min）=10 V。根據這些設定的參數，對電路中的基本參數進行計算。

式中：Lp為副邊電感量，Ip(max)為最大電流峰值。

圖3 單級PFC電路圖

2.2 中間變壓器

選擇鐵氧體EI35，通過查表可以得出：ΔBac=0.2 T允許溫升25℃，Kj=366；Aw=1.315 8 cm2，Ae=1.014 cm2，其參數計算如下：

原邊匝數：

匝數比：

式中：Np為原邊匝數，Vp為原邊所加直流電壓（V），ton-max為最大導通時間，ΔBac為交變工作磁芯密度（T），Ae為磁芯有效面積（mm2）。

2.3 整流器

整流器的作用就是將交流轉化為直流，整流橋的額定電壓值取決于輸入電壓的最大值，一般按最大輸入電壓峰值的1.5倍來確定，即

輸入電流額定值取決于變換器的最大輸入電流。按照下式計算確定

整流器的額定電流值為

一般整流橋電流額定值取該值的4-9倍為宜。

3 仿真實驗驗證

3.1 仿真系統參數

根據前述的照明電源電路及元件的參數設計，確定了水電站照明電源系統的輸入交流電壓為311 V，最大輸出功率為150 W。現對照明電源系統在MATLAB/Simulink軟件中加以驗證，其仿真實驗的主電路如圖4所示，控制方式如圖5所示。仿真試驗分別在負載為5 Ω和3.3 Ω的兩種工況下，對目標電壓的跟隨和電壓、電流相位情況進行驗證。

圖4 仿真系統主電路

圖5 仿真系統控制圖

3.2 仿真結果及分析

（1）負載為5 Ω時的仿真結果

當負載為5 Ω時的仿真波形如圖6～8所示，設定照明電源輸出的目標電壓為40 V。輸入電流能很好地跟隨輸入電壓成正弦波變化并且與輸入電壓同相位；因為采用了恒流閉環輸出，所以輸出電流恒定在8 A；根據歐姆定律可得輸出電壓保持在40 V左右，實現了電壓的有效跟隨，且跟隨速度較快。

（2）負載為3.3 Ω時的仿真結果

當負載為3.3 Ω時的仿真波形如圖9～11所示，設定照明電源輸出的目標電壓為24 V。輸入電流能很好地跟隨輸入電壓成正弦波變化并且與輸入電壓同相位；因為采用了恒流閉環輸出，所以輸出電流恒定在8 A；根據歐姆定律可得輸出電壓保持在24 V左右。

圖6 負載為5 Ω時輸出電壓的波形

圖7 輸入電流跟隨輸入電壓成正弦波變化的波形

圖8 負載為5 Ω時輸出電流的波形

圖9 負載為3.3 Ω時輸出電壓的波形圖

圖10 輸入電流跟隨輸入電壓成正弦波變化的波形

圖11 負載為3.3 Ω時輸出電流的波形

針對不同的負載工況下，PFC照明電源系統均能有效輸出目標電壓，且輸入電流波形能夠實現對交流輸入電壓的很好的跟蹤，實現了功率因數校正功能。除此之外，此波形圖還較好的反映了RCD緩沖電路的吸收漏感尖峰的功能。仿真試驗的結果驗證了單級PFC技術應用于照明電源的有源功率因數校正效果，能夠降低產生的諧波含量，提高功率因數。

4 結論

針對智能水電站照明電源系統不僅需要實現基本升降壓功能，還需要自動功率因數校正的要求。本文提出了一種基于單相單端反激電路的智能水電站PFC照明電源設計方法，確定了照明電源系統結構、分析了單級PFC工作原理、選擇了電源工作模式及控制方式，完成基于反激變換器的單級PFC電路及參數設計，最后通過仿真試驗，驗證了該電源系統能夠有效消除諧波對供電網絡的污染，提高功率因數，助力智能水電站照明電源系統進一步向高效節能、綠色環保發展。