基于Matlab的高功率因數(shù)校正技術(shù)的仿真

1.引言

　　由近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，各種辦公自動(dòng)化設(shè)備，家用電器，計(jì)算機(jī)被大量使用。這些設(shè)備的內(nèi)部都需要一個(gè)將市電轉(zhuǎn)化為直流的電源部分。在這個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于一些非線形元件的存在，導(dǎo)致輸入電流電壓雖然是正弦的，但輸入的交流電流卻嚴(yán)重畸變，包含大量諧波。而諧波的存在，不但降低了輸入電路的功率因數(shù)，而且對(duì)公共電力系統(tǒng)產(chǎn)生污染，造成嚴(yán)重的電路故障。正因?yàn)槿绱嗽S多國(guó)家制定了相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，用以限制諧波電流的含量。例如IEC 555-2pIEC 61000-3-2pEN 60555-2pGB/T 4549-1993等標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定了允許用電電氣設(shè)備產(chǎn)生的最大諧波電流。由此可見(jiàn)，由此可見(jiàn)消除諧波電流和提高功率因數(shù)有非常重要的意義。在整流輸出電路后采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)能夠有效地解決上述問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)各種電源裝置網(wǎng)側(cè)電流正弦化，使功率因數(shù)接近1，并且極大地減少諧波電流，消除無(wú)功損耗。然而在有源功率因數(shù)校正中控制方式又分為模擬和數(shù)字控制方式，控制方式的選取對(duì)減少電流諧波和提高功率因數(shù)有重大影響。因此本文重點(diǎn)介紹模擬控制器和數(shù)字控制器在Boost單相功率因數(shù)校正變換電路中的應(yīng)用，并論證了數(shù)字控制方式將逐步取代模擬控制方式，在不遠(yuǎn)的將來(lái)成為PFC中的主流控制方式。

　　2.有源PFC的工作模式和控制方式
　　根據(jù)電感電流是否連續(xù)，PFC電路的工作模式可分為不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)和連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）。DCM模式的PFC電路一般用于電壓控制型而且功率小于200W，CCM模式的控制方法比較復(fù)雜，一般用于電流控制型并且功率大于200W以上的PFC電路。有源PFC電路的電流控制型控制方式分為峰值電流控制，滯環(huán)電流控制和平均電流控制，本論文中選用的控制方法是平均電流控制法。

　　3.功率因數(shù)校正的必要性

　　一般開(kāi)關(guān)電源的輸入整流電路部分為圖1所示：

圖1 整流電路圖

　　例如在離線式開(kāi)關(guān)電源的輸入端，AC電源經(jīng)全波整流后，一般接一個(gè)大電容器，以得到波形較為平直的直流電壓。整流器-電容濾波電路是一種非線形元件和儲(chǔ)能元件的組合。因此輸入交流了電壓雖然是正弦的，但輸入交流電流波形卻嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀，其結(jié)果可以由如圖１所示整流電路在Matlab的Simulink中仿真結(jié)果得到驗(yàn)證。從圖2可以看出，輸入電流

圖2 整流電路輸入點(diǎn)壓電流仿真圖

　　發(fā)生了嚴(yán)重畸變。因此，大量應(yīng)用整流電路，要求電網(wǎng)供給嚴(yán)重畸變的非正弦電流，造成的嚴(yán)重后果是：諧波電流對(duì)電網(wǎng)有危害作用，輸入端功率因數(shù)下降。為了消除電流諧波和提高功率因數(shù)，必須在電路整流后加入功率因數(shù)校正電路。應(yīng)用最廣泛的是單相Boost有源功率因數(shù)校正變換電路，如圖３所示。

圖3 單相Boost功率因數(shù)校正原理圖

　　在上述單相Boost功率因數(shù)校正電路中，最關(guān)鍵的部分是控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，控制方式的選取又是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心。控制電路可以一般選用模擬控制器和數(shù)字控制器,下面將詳細(xì)的分析模擬控制器和數(shù)字控制器在單相Boost功率因數(shù)校正電路中應(yīng)用。

　　4.模擬控制PFC的實(shí)現(xiàn)

　　4.1模擬控制的PFC模型[1]

　　單相Boost功率因數(shù)校正電路中的模擬控制方法應(yīng)用比較廣泛，目前已經(jīng)有現(xiàn)成的商業(yè)化集成電路芯片，如TI/Unitrode公司的 UC3854，F(xiàn)airchild公司的ML4812以及Stmicroelectronics公司的L6561等，圖4是基于UC3854的模擬控制電路結(jié)構(gòu)方框圖。圖中Boost變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式下，其電感電流就是輸入電流。電感電流被采樣并被控制，其幅值與輸入電壓同相位的正弦參考信號(hào)成正比，從而達(dá)到功率因數(shù)校正的目的；乘法器方式PFC電路還可以根據(jù)輸出電壓反饋信號(hào)，利用一個(gè)乘法器電路來(lái)控制正弦參考電流信號(hào)，從而獲得可調(diào)整的輸出電壓；同時(shí)，也具有輸出電壓的平均值。實(shí)際上模擬控制器可以概括為兩個(gè)控制環(huán)，內(nèi)環(huán)電流環(huán)，作用是使輸入電流跟蹤輸入電壓，外環(huán)電壓環(huán)，作用是穩(wěn)定輸出電壓。

圖4 Boost PFC模擬控制原理圖