汪子琦，厲偉

(沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

1 引言

目前，電力電子技術(shù)日益廣泛地應(yīng)用到軍事、工業(yè)等技術(shù)領(lǐng)域。以開關(guān)電源為例，其輸入級(jí)大多利用二極管等元件構(gòu)成的整流電路。這些電路為電力系統(tǒng)帶來嚴(yán)重的諧波問題，使電網(wǎng)的供電質(zhì)量以及用電的安全性得不到有效保證[1]。這一負(fù)面影響在電力行業(yè)中得到了越來越多的關(guān)注。如何抑制電流脈沖的幅值，使之最大程度上接近于正弦波，成為解決這一問題的有效方法。APFC相比于無源功率因數(shù)校正技術(shù)有更加明顯的諧波抑制效果，同時(shí)對(duì)功率因數(shù)的提高更加顯著、抗干擾能力強(qiáng)。

APFC技術(shù)的思路就是利用功率開關(guān)的開通和關(guān)斷將電感中儲(chǔ)存的能量周期性地釋放到電容中，從而對(duì)電路輸入的電流大小進(jìn)行控制，使電流盡量跟隨電壓的正弦波[2]。通過APFC技術(shù)，電源的功率因數(shù)得到提高，降低了整流器件對(duì)電網(wǎng)的諧波注入。本文介紹了電路的平均電流法控制原理，并設(shè)計(jì)了一種升壓型APFC電路。在此基礎(chǔ)上，利用simulink軟件對(duì)該電路搭建仿真模型，驗(yàn)證了功率因數(shù)校正的有效性。

2 基于平均電流法的APFC控制原理

目前，APFC電路的控制方法的分類以電感電流的連續(xù)性進(jìn)行的。其中應(yīng)用最為廣泛的就是連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)[3]。本文中的APFC電路采用的是CCM下的平均電流控制。其基本原理是通過開關(guān)管控制電感電流，使其跟蹤整流電路后的電壓指令。具體的控制思路就是，當(dāng)輸入電流比乘法器的輸出大，調(diào)節(jié)功率開關(guān)的占空比D，從而減小電流。反之當(dāng)輸入電流的有效值小于乘法器的輸入信號(hào)時(shí)，則增大電流。這樣輸入電流和輸入電壓同相位。避免了整流元件對(duì)電網(wǎng)的諧波注入，提升能源效率。圖1為平均電流法Boost APFC電路圖。其控制回路分為電流環(huán)和電壓環(huán)。在連續(xù)電流模式下，電路工作時(shí)電感電流波形圖如圖2所示。

圖1 平均電流法Boost APFC電路圖

圖2 電感電流波形圖

3 Boost APFC電路的設(shè)計(jì)

3.1 電路的技術(shù)指標(biāo)

Boost APFC電路在開關(guān)電源等電子裝置中應(yīng)用極為廣泛。一方面能夠?qū)崿F(xiàn)功率因數(shù)校正的目的，另一方面也能穩(wěn)定輸出直流電壓，其控制較簡(jiǎn)單適用中小功率電源中[4]。本文設(shè)計(jì)的Boost APFC電路主要技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 Boost APFC電路的技術(shù)指標(biāo)

3.2 升壓電感計(jì)算

Boost電路的升壓電感的在電路中有儲(chǔ)能、轉(zhuǎn)換和濾波的作用。輸入電壓為最小(180V)，此時(shí)輸入電流達(dá)到最大。按照表1的參數(shù)計(jì)算電流峰值：

(1)

輸入電流的紋波和電感的大小有著非常密切的關(guān)系。過大的電感能夠有效降低紋波，但是也帶來了電感尺寸的增大和成本的提升，不符合電源的小型化原則[5]。根據(jù)工程實(shí)踐的經(jīng)驗(yàn)，一般情況下電流的紋波系數(shù)取0.2?？梢杂?jì)算出電流紋波為：

ΔIL=0.2Ipk=1.024A

(2)

此時(shí)電路的占空比為：

(3)

計(jì)算得出升壓電感為：

(4)

3.3 輸出電容計(jì)算

在Boost APFC電路中輸出電容可以降低紋波，穩(wěn)定輸出電壓[6]。工程實(shí)踐中一般采用按照維持時(shí)間Δt來計(jì)算，本電路的輸出電容為：

(5)

4 單相Boost APFC電路的仿真分析

為了驗(yàn)證本文所設(shè)計(jì)的Boost APFC電路是否符合理論性和國家標(biāo)準(zhǔn)，利用MATLAB搭建出仿真模型。主回路的具體參數(shù)由第二部分計(jì)算得出?？刂苹芈贩譃殡娏鲀?nèi)環(huán)和電壓外環(huán)。仿真模型整體如圖3所示。

圖3 Boost APFC電路仿真模型

輸出電壓的仿真結(jié)果可以驗(yàn)證電路的輸出穩(wěn)定性。圖4為輸出直流電壓的波形圖，可以看出電路啟動(dòng)時(shí)電壓的最大值為420V左右，超調(diào)量為5%，之后很快達(dá)到了穩(wěn)態(tài)，電壓值為設(shè)計(jì)的400V。本電路的紋波電壓不超過“±8V” ，滿足紋波率不超過2%的設(shè)計(jì)指標(biāo)。

圖4 Boost APFC電路輸出電壓波形

圖5為輸入交流電壓、電流的波形圖，可以看出當(dāng)電路達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，輸入電流、電壓的相位基本相同，提高功率因數(shù)，達(dá)到了電路的工作目的。

圖5 Boost APFC電路輸入波形

通過Power模塊可以得到輸入的有功功率和無功功率，搭建函數(shù)模塊可以計(jì)算出cosφ的數(shù)值。圖6為電路輸入電流的功率因數(shù)cosφ變化曲線。由圖可知，當(dāng)電路處于剛開始的波動(dòng)時(shí)，功率因數(shù)已經(jīng)達(dá)到了0.996以上；電路處于穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)，功率因數(shù)大于0.999。在實(shí)際的APFC電路中可能有所降低，但是依然能夠滿足國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。

圖6 Boost APFC電路的功率因數(shù)變化曲線

快速傅里葉變換(FFT)在數(shù)字處理領(lǐng)域是許多數(shù)字信號(hào)處理方法的基礎(chǔ)[7]。通過FFT工具箱析輸入電流。圖7為仿真結(jié)果，THD僅為1.9%，滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

圖7 輸入電流的FFT分析頻譜

5 結(jié)論

針對(duì)整流器件對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波污染問題，本文分析APFC電路在CCM下的平均電流控制原理，并設(shè)計(jì)了Boost APFC電路。針對(duì)設(shè)計(jì)的電路搭建模型進(jìn)行仿真，該電路能夠?qū)⒐β室驍?shù)提升至0.996，總諧波失真為1.9%，符合國家標(biāo)準(zhǔn)。