黃燦勝，蔣志年

（廣西民族師范學(xué)院，廣西 崇左 532200）

單相Boost有源功率因數(shù)校正電路的研究

黃燦勝，蔣志年

（廣西民族師范學(xué)院，廣西 崇左 532200）

基于平均電流模式控制技術(shù)，設(shè)計并制作了一臺1 kW單相Boost有源功率因數(shù)校正裝置。功率因數(shù)校正系統(tǒng)設(shè)計采用雙閉環(huán)控制方法，電流內(nèi)環(huán)實現(xiàn)樣機(jī)輸入電流跟蹤輸入電壓按正弦規(guī)律變化，電壓外環(huán)維持輸出電壓不變。實驗結(jié)果表明，實驗樣機(jī)可獲得高功率因數(shù)，電流畸變小，并且樣機(jī)動態(tài)響應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)。

功率因數(shù)校正；Boost變換器；平均電流控制模式；雙閉環(huán)控制

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

本文以Unitrod公司設(shè)計生產(chǎn)的專用平均電流控制功率因數(shù)校正芯片UC3854為核心，設(shè)計并研制了一臺1 000W的單相有源功率因數(shù)校正裝置。裝置采用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制方法[3]，通過負(fù)反饋控制實現(xiàn)輸入電流跟蹤輸入電壓按正弦規(guī)律變化，提高裝置功率因數(shù)，并穩(wěn)定輸出電壓。

1 電路工作原理

1.1 有源功率因數(shù)校正

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，有源功率因數(shù)校正技術(shù)不斷涌現(xiàn)出新型的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，常見的有：降壓式(Buck)APFC、反激式(Flyback)APFC、交錯并聯(lián)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(xù)，電流紋波小，易于進(jìn)行EMI濾波；輸入電感L可以抑制電路的快速瞬變，可增強(qiáng)電路的可靠性；輸出電壓高于輸入電壓，可應(yīng)用于輸出高壓場合，是目前應(yīng)用最廣泛的拓?fù)漕愋汀?/p>

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(huán)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(jìn)行諧波補(bǔ)償、且易于進(jìn)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(shù)來實現(xiàn)有源功率因數(shù)校正，其原理如圖2所示。其基本工作原理是：輸出電壓經(jīng)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(huán)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(jìn)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(jìn)行比較，產(chǎn)生PWM信號并經(jīng)驅(qū)動電路控制開關(guān)管的開通與關(guān)斷。

1.2 控制環(huán)路的設(shè)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(tǒng)。為了簡化系統(tǒng)的設(shè)計，可將控制對象進(jìn)行降階處理[4]。本文采用電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制方式，按先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的設(shè)計原則。

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

圖2 平均電流控制APFC原理圖

圖3 電流環(huán)的控制框圖

PWM比較器傳遞函數(shù)如式（2）：

由圖2得電流調(diào)節(jié)器傳遞函數(shù)，如式（3）：

則電流環(huán)的傳遞函數(shù)如式（4）所示：

第二步設(shè)計電壓外環(huán)，其控制框圖如圖4所示。電壓外環(huán)的截止頻率受電流環(huán)截止頻率的限制，一般取電流環(huán)截止頻率的五分之一以上。另一方面，對于功率因數(shù)校正拓?fù)鋪碚f，電壓外環(huán)的截止頻率還受限于電網(wǎng)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(huán)截止頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于電流內(nèi)環(huán)，從電壓外環(huán)看向電流內(nèi)環(huán)，電感相當(dāng)于一個恒流源，電壓外環(huán)的控制對象可簡化，如式（5）所示：

圖4 電壓外環(huán)的控制框圖

由圖2得電壓調(diào)節(jié)器的傳遞函數(shù)，如式（6）：

則電壓環(huán)的傳遞函數(shù)如式（7）所示：

2 電路實現(xiàn)

設(shè)計的單相有源功率因數(shù)校正裝置主電路為常規(guī)Boost升壓電路，控制電路以Unitrod公司生產(chǎn)的單周控制專用芯片UC3854為核心，裝置具體性能指標(biāo)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(guān)頻率100 kHz；功率因數(shù)0.99。

2.1 電路的設(shè)計過程

依據(jù)電路的性能指標(biāo)及工作原理，給出關(guān)鍵點(diǎn)參數(shù)的設(shè)計過程，具體如下：

（1）經(jīng)計算電路的峰值電流為10 A，開關(guān)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(guān)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(fù)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(guān)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(xù)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(shè)計所選電感值大小為0.5mH。

（3）輸出電容在開關(guān)管關(guān)斷時向負(fù)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(shè)計取兩個450 V/560μF電容并聯(lián)獲得1 120μF電容。

（4）控制電路環(huán)路的設(shè)計應(yīng)遵循先內(nèi)環(huán)后外環(huán)的原則。本文所選開關(guān)頻率為100 kHz，則電流環(huán)的截止頻率選取10 kHz，為了滿足45°的相頻域度，電流調(diào)節(jié)器的零點(diǎn)放在電流環(huán)截止頻率處。為了增強(qiáng)抗干擾能力，其極點(diǎn)放在開關(guān)頻率處；電壓外環(huán)的截止頻率受限于電網(wǎng)整流后所得正弦半波電壓的頻率，則本文電壓外環(huán)截止頻率選取10Hz。

2.2 電路仿真及實驗結(jié)果分析

在Matlab/Simulink軟件中搭建平均電流模式的APFC模型進(jìn)行仿真，仿真結(jié)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(wǎng)側(cè)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(shù)低。圖6為加入APFC后網(wǎng)側(cè)輸入電壓、電流波形，由圖可見電流跟蹤電壓按正弦規(guī)律變化，功率因數(shù)高。

為了驗證仿真結(jié)果，實驗室搭建了一臺1 000W實驗樣機(jī)，并測試了樣機(jī)關(guān)鍵點(diǎn)的實驗波形。圖7為未校正前網(wǎng)側(cè)輸入電壓與輸入電流波形，圖8為校正后網(wǎng)側(cè)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(shù)。圖9為開關(guān)管驅(qū)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(guān)管驅(qū)動電壓、漏源極電壓波形

3 結(jié)論

本文基于平均電流控制技術(shù)，采取電流內(nèi)外和電壓外環(huán)的雙閉環(huán)控制方案，優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計，并制作了一臺1 000W單相APFC實驗樣機(jī)。實驗結(jié)果表明，裝置輸入電流可以有效跟蹤輸入電壓按正弦規(guī)律變化，輸入電流畸變小，輸出電壓恒定；裝置功率因數(shù)高，抗干擾性能好，動態(tài)響應(yīng)快。

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

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

[3]鄭越，石曉麗，黃付剛.雙閉環(huán)控制策略的有源功率因數(shù)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(shè)計[J].電力電子技術(shù)，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(qū)人，工程師，主要研究方向為電子信息技術(shù)。