兩種高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案的比較

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源因輸入電路采用不可控二極管或相控晶閘管整流而存在輸入電流諧波含量大、功率因數(shù)低的問(wèn)題，提出了兩種高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案，分析了采用APFC技術(shù)和PWM 整流技術(shù)來(lái)提高開(kāi)關(guān)電源功率因數(shù)的原理，并采用Matlab7.6仿真軟件對(duì)單相全橋電壓型PWM 整流電路和APFC電路進(jìn)行了仿真。仿真結(jié)果表明，基于PWM 整流技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源能更好地實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)，減少諧波電流。

0 引言

傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源整流電路普遍采用不可控二極管或相控晶閘管整流方式，直流側(cè)采用大電容濾波，輸入電流諧波含量大，功率因數(shù)低，造成了嚴(yán)重的電網(wǎng)污染和能源浪費(fèi)。目前，解決諧波問(wèn)題、提高功率因數(shù)的主要方法：（1）對(duì)產(chǎn)生諧波的電力電子裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行改進(jìn)，使其產(chǎn)生較少的諧波甚至不產(chǎn)生諧波，使得輸入電流和輸入電壓同相，達(dá)到提高功率因數(shù)的目的，如PWM整流技術(shù)；（2）在整流橋和濾波電容之間加一級(jí)用于功率因數(shù)校正的功率變換電路，如有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)。近些年來(lái)APFC技術(shù)和PWM 技術(shù)在中、小功率乃至大功率開(kāi)關(guān)電源中得到了普遍應(yīng)用。本文以高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源作為研究對(duì)象，分析采用APFC技術(shù)和PWM 整流技術(shù)來(lái)提高功率因數(shù)的原理，并采用Matlab7.6軟件對(duì)單相電壓型PWM 整流電路和APFC電路進(jìn)行了仿真及分析比較。

1 高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案

1.1 采用PWM 整流技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源

采用PWM 整流技術(shù)的高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文只探討其中的PWM 整流電路部分。

圖1 采用PWM 整流技術(shù)的高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)

該種高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案采用PWM整流技術(shù)和DSP技術(shù)，能數(shù)字化地實(shí)現(xiàn)整流器網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)正弦波電流控制，比較適合應(yīng)用于中等功率開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中。

1.2 采用APFC技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源

采用APFC技術(shù)的高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源，其前級(jí)APFC電路采用實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)使交流輸入電流正弦化并使其與輸入電壓同相位，同時(shí)保持輸出電壓穩(wěn)定；后級(jí)DC/DC變換電路采用能實(shí)現(xiàn)多路輸出的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)調(diào)整輸出電壓，通過(guò)DC/DC變換得到所需要的直流電壓，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 采用兩級(jí)型APFC的高功率因素開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu)

2 單相PWM 整流電路的基本原理

本節(jié)采用圖1所示的方案，其前級(jí)如圖3所示，即單相全橋電壓型PWM 整流電路，電路采用有4個(gè)全控型功率開(kāi)關(guān)管的H 橋型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3中網(wǎng)側(cè)電感為升壓電感，起平衡電路電壓、支撐無(wú)功功率、儲(chǔ)存能量和濾除諧波電流的作用；Rs為濾波電感的寄生電阻；主電路中功率開(kāi)關(guān)均反并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管，用來(lái)緩沖PWM 過(guò)程中的無(wú)功電能。

單相全橋電壓型PWM 整流電路的SPWM 調(diào)制方法分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種，本文采用單極性調(diào)制。

單相全橋電壓型PWM 整流器選擇響應(yīng)速度較快的三角波電流比較法作為控制策略。因反饋到電壓外環(huán)的輸出電壓含有紋波電壓，而紋波電壓的存在將導(dǎo)致電流內(nèi)環(huán)的給定電流發(fā)生畸變，因此本文采用補(bǔ)償輸出直流電壓中紋波電壓的方法[4]來(lái)減少流入電壓控制環(huán)的紋波電壓，從而改善給定電流的波形。按照以上原理設(shè)計(jì)的單相全橋電壓型PWM整流器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 單相全橋電壓型PWM 整流器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖4可知，PWM 整流控制系統(tǒng)中需要檢測(cè)的信號(hào)有輸入交流電壓us、輸出直流電壓ud以及輸入交流電流is.us是閉環(huán)控制中相位檢測(cè)的輸入信號(hào)；通過(guò)比較ud與給定參考電壓u*d以及直流側(cè)紋波電壓補(bǔ)償u~d來(lái)決定電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出im,并將其與輸入電壓同步信號(hào)sinωt的乘積作為指定電流i*s ;is與i*s的差值決定電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出；最后比較電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出與三角載波，產(chǎn)生PWM 信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷。這樣，電流PI調(diào)節(jié)器的輸出決定PWM 信號(hào)的占空比，使實(shí)際輸入電流逼近指定電流值。

3 有源功率因數(shù)校正技術(shù)

本節(jié)采用如圖2所示的方案，基于Boost-APFC的功率因數(shù)校正電路如圖5所示。該電路由主電路和控制電路組成。主電路包括橋式整流器、升壓電感、功率開(kāi)關(guān)管、續(xù)流二極管以及濾波電容等，控制電路包括電壓誤差放大器VA、電流誤差放大器CA、基準(zhǔn)電壓源、乘法器、PWM 比較器以及柵極驅(qū)動(dòng)器。

圖5 基于Boost-APFC的功率因數(shù)校正電路

工作原理：APFC主電路的輸出電壓經(jīng)電阻分壓后與基準(zhǔn)電壓相比較，誤差值輸入到VA;VA 輸出信號(hào)X與輸入電壓檢測(cè)信號(hào)Y一起輸入乘法器，經(jīng)過(guò)平均化處理、放大、比較后，再經(jīng)過(guò)PWM 比較器加到柵極驅(qū)動(dòng)器，產(chǎn)生對(duì)開(kāi)關(guān)管VT的控制信號(hào)，從而使電感Ls上的電流（即輸入電流）平均值始終跟蹤模擬乘法器輸出的半正弦信號(hào)，即跟蹤了輸入電壓波形，并實(shí)現(xiàn)了輸入電流正弦化，使功率因數(shù)接近1,達(dá)到校正功率因數(shù)的目的。

4 仿真分析

4.1 PWM 整流器電路仿真與分析

采用Matlab7.6對(duì)所設(shè)計(jì)的單相全橋電壓型PWM 整流器進(jìn)行建模和仿真，在Simulink中搭建仿真模型，主電路仿真參數(shù)：峰值電壓為311V,頻率為50Hz,相位為0°，采樣時(shí)間為0s;Ls=2mH,Rs=0.5Ω，直流側(cè)濾波電容Cd=2 500μF,直流側(cè)負(fù)載電阻RL=50Ω；從Power Electronics中調(diào)用Universal Bridge 模塊，并將其設(shè)置成二橋臂IGBT/Diodes模式，仿真算法設(shè)置為可變步長(zhǎng)類算法中的ode45算法。

交流輸入側(cè)電壓與電流的仿真波形如圖6所示，可見(jiàn)交流側(cè)電流、電壓能始終保持同相，且電流能實(shí)現(xiàn)正弦化。直流側(cè)輸出電壓波形如圖7所示，可見(jiàn)0.06s后輸出電壓穩(wěn)定在400V左右。

在Powergui模塊中對(duì)電路進(jìn)行FFT分析，在Available Signals中進(jìn)行相關(guān)設(shè)置后對(duì)輸入側(cè)電流進(jìn)行諧波分析，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，總諧波畸變率DTH=0.77%,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)低諧波畸變率的目標(biāo)，電流諧波得到了很好的抑制。

圖8 輸入側(cè)電流諧波分析結(jié)果

PWM 整流器功率因數(shù)波形如圖9所示。由圖9可知，電路功率因數(shù)始終大于0.985,且工作0.03s后功率因數(shù)能達(dá)到1.

圖9 整流器功率因數(shù)波形

4.2 單相APFC電路仿真與分析

單相APFC電路采用Matlab7.6進(jìn)行建模與仿真。圖10為APFC電路輸入電壓和電流波形，可見(jiàn)網(wǎng)側(cè)輸入電流由窄脈沖波形變成正弦電流波形，且與輸入電壓同相位。圖11為APFC電路輸出電壓波形，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)60ms的軟啟動(dòng)過(guò)程之后，輸出電壓穩(wěn)定在400V左右，滿足設(shè)計(jì)要求。圖12為APFC電路輸入電流諧波分析結(jié)果，可見(jiàn)除基波外，其余諧波含量均很小。

由圖12可知，輸入電流DHD為0.256 5.功率因數(shù)計(jì)算公式為PF=γcosφ，其中r 為基波因子。

由于輸入電流與電壓基本同相位，即相位差φ 為0,則：

5 結(jié)語(yǔ)

采用功率因數(shù)校正技術(shù)和PWM 整流技術(shù)設(shè)計(jì)了兩種高功率因數(shù)的開(kāi)關(guān)電源，采用Matlab7.6建立仿真模型。由仿真結(jié)果可知，采用DSP 芯片TMS320LF2407設(shè)計(jì)的前級(jí)單相全橋電壓型PWM整流電路功率因數(shù)大于0.985,并在電路穩(wěn)定后達(dá)到1,大于APFC電路的功率因數(shù)0.969;且電壓型PWM 整流電路電流總諧波畸變率為0.77%,遠(yuǎn)小于APFC電路的總電流諧波畸變率25.65%.兩者相比，單相全橋電壓型PWM 整流器能更好地實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)電流的正弦化和與輸入側(cè)電壓的同相位，能更徹底地解決傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源電流諧波大、功率因數(shù)低的問(wèn)題，更好地實(shí)現(xiàn)綠色電能轉(zhuǎn)換的目標(biāo)。但是電壓型PWM 整流器成本較高，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體需求選擇適合的類型。