单相有源PFC 新型控制策略的研究-基础电子

精品文档-下载后可编辑单相有源PFC新型控制策略的研究-基础电子摘要:根据功率因数校正的基本原理和物理意义，理论上推导了一种新型直接控制算法，并通过仿真分析和试验研究进行了验证。结果表明，该方法通用性很强，无需输入电压检测，具有更宽的调功范围，且适合任何输入电压波形，因而在传统交流电压供电或分布式电源应用中，如车载交流正弦波电源、交流方波电源的功率因数校正中具有重要应用价值。为了描述问题方便，提出了调功范围、正弦交流PFC、方波交流PFC和直流PFC等概念。

0引言

单相有源功率因数校正(APFC)技术被广泛地应用在开关电源、变频家电等领域，在消除谐波电流污染方面起到了非常重要作用。迄今为止，出现了多种PFC控制算法，如常规乘法器算法、电压跟随器算法、单周期控制器算法等，它们都有一定的优、缺点和不同适用范围。本文根据功率因数校正的工作原理和物理含义，推导了一种新型直接控制算法，并进行仿真分析和试验研究进行验证。如果输入电压和输出功率已知，该直接控制算法还可以进一步简化。另外，在保证良好功率因数校正的前提下，为了很好地表征各种PFC算法的支持输出功率能力，提出了调功范围的概念。此外，随着智能电网技术、分布式发电技术的发展和应用，出现了单相标准正弦电压源、准正弦电压源、交流方波电压源以及直流电压源，为了提高这些电源的利用率和改善微网的供电状况，上述电压源都必须采取功率因数校正技术，即提出了所谓的方波交流PFC和直流PFC等概念。

1单相APFC直接控制算法的原理

传统单相有源PFC的工作原理的实质是:在每个开关周期中，借助功率开关S1有规律的通断过程，通过整流桥和电感L将电源uac短接，使得电感L储存能量，然后将全部储能或者部分储能释放到负载侧的直流电解电容，同时获得同步正弦的输入电流波形和稳定的直流输出电压。传统单相有源PFC的控制策略是电流闭环(内环)和电压闭环控制(外环)，可以获得很好的控制效果。但是，对于采用模拟控制的APFC，同一套参数很难兼顾轻载与重载时校正效果。

单相交流输入电压方程为：

单位输入功率因数时输入电流方程为：

为了分析方便，近似地认为输出直流电压u0=U0，纹波电压为零，开关周期为Ts，开关频率为fs，占空比为d，则根据Boost型DC/DC变换器的输出与输入电压的关系，得：

当单位输入功率因数时输入电流时，式(1)可以改写为：

忽略高频分量时，式(2)可以近似改写为：

式(3)可以近似改写为：

式中，。

可以看出，k为整流桥后级等效电阻的函数，成正比关系，即与电感电流基波部分有效值(即输入电流有效值)成反比关系，比例系数为。理论上，k的取值范围为k∈(0，+∞)。这样，可以通过检测电感电流有效值和电网电压有效值的变化，推出Ri、k的变化量，从而得到占空比d的计算公式。

根据式(4)，可以采用MCU存储不同输入电压有效值时APFC系统的占空比与电感电流有效值的关系曲线;然后，根据测量电感电流有效值来实时计算或查表计算占空比。

对于分布式发电或数码发电等应用，由于交流电压为高质量的交流正弦波电压、交流方波电压或直流电压，即APFC的输入电压稳定，通过只检测电感电流有效值，就可以直接计算占空比，此时无需检测输出电压，这就是输入交流电压与输出直流电压均不检测的APFC的工作原理。参考单相正弦交流电源的功率因数概念，为了提高电源的利用率，输入电流波形应该与输入电压波形相似，从而提出了方波交流PFC和直流PFC等概念，方波交流PFC即输入电压为交流方波电压的PFC，直流PFC即输入电压为直流电压的PFC。

由于该算法能够直接计算PFC的占空比，因此，具有校正效果好、支持功率范围宽等优点。表面看来，该控制算法由于检测电感电流有效值，存在滞后现象。为了提高快速性和保持稳定性，可以采用滑动平均滤波算法。为了表征APFC系统支持输出功率的能力，提出调功范围概念，即保证良好功率因数校正时，APFC系统能够支持的输出功率与输出功率之比。

当输出电压U0设置不变，而且输入电压有效值也不变时，随着负载的增加，输出电压瞬时值有下降的趋势，输出电流会上升，电感电流瞬时值上升，此时可以减少k，增大总体占空比，结果输入电流有效值增加，输出电压恢复到设定值，获得新的稳定工作点。同理，可以分析输入电压与输出电压变化时的情况。

2仿真验证

根据式(4)，建立无输入交流电压、输出直流电压检测的单相APFC的Simulink仿真平台，如图1、图2所示。输入电压为额定AC220V，设定输出电压为DC365V，升压电感取值为1.0mH，直流电解电容为5600F，交流吸收电容为2.0F，分流电阻为5mΩ，负载为设计的可调电子负载。

图1单相交流正弦APFC的仿真电路。

图2单相交流方波APFC的仿真电路。

仿真结果表明了有关理论分析的正确性，功率因数校正效果非常良好，表现出很宽的调功范围。

交流正弦电压输入时，输出功率为10kW时，输入电压与输入电流波形如图3所示。此时，k=0.85，输出直流电压平均值为355V，纹波电压峰峰值为15V。

图3重载下输入电压与输入电流的仿真波形(10kW)。

交流正弦电压输入时，输出功率为100W时，输入电压与输入电流波形如图4所示。此时，k=9.5，输出直流电压平均值为365V，纹波电压峰峰值为2V。

图4超轻载下输入电压与输入电流的仿真波形(100W)。

交流方波电压输入时，输出功率为6.6kW时，输入电压与输入电流波形如图5所示。

图5重载下输入电压与输入电流的仿真波形(6.6kW)。

3试验验证

设计制作了6.6kW的单相交流正弦电压输入的数字有源PFC的功率模块，整流桥采用2只25A/100C扁型整流桥并联，功率开关采用单只80A/100C的SGL160N60UF，FRD采用单只40A/100C的FFAF40U60DN，升压电感选择40A的1.9mH硅钢电感，交流吸收电容选择3.3F/275VAC的无感电容，电解电容选择6只680F/400VAC的电解电容并联，控制器选择NEC16bitPD18F1201，固定开关频率为20kHz。

经过大量的硬件与软件调试，终实现了输入交流电压150～265V、输出直流电压平均值365V、适合输入频率50Hz/60Hz的数字PFC功率模块，输入电流低于0.5Arms、输出直流电流接近40Arms的情况下均能获得接近1的输入功率因数，谐波电流分布符合标准IEC61000-3-2:2000和IEC61000-3-12:2022。其中，输入电压AC220V、输入电流有效值33.23A、电网频率50Hz时输入电压与输入电流波形如图6所示。

图6输入电压与输入电流的实测波形。

4结语

提出了单相有源PFC