基于Matlab的高功率因數(shù)校正技術的仿真

1.引言

　　由近年來，隨著電子技術的發(fā)展，各種辦公自動化設備，家用電器，計算機被大量使用。這些設備的內(nèi)部都需要一個將市電轉(zhuǎn)化為直流的電源部分。在這個轉(zhuǎn)換過程中，由于一些非線形元件的存在，導致輸入電流電壓雖然是正弦的，但輸入的交流電流卻嚴重畸變，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)，而且對公共電力系統(tǒng)產(chǎn)生污染，造成嚴重的電路故障。正因為如此許多國家制定了相應的技術標準，用以限制諧波電流的含量。例如IEC 555-2pIEC 61000-3-2pEN 60555-2pGB/T 4549-1993等標準，規(guī)定了允許用電電氣設備產(chǎn)生的最大諧波電流。由此可見，由此可見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)校正技術能夠有效地解決上述問題，實現(xiàn)各種電源裝置網(wǎng)側電流正弦化，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，在不遠的將來成為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)導電模式(DCM)和連續(xù)導電模式（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

　　一般開關電源的輸入整流電路部分為圖1所示：

圖1 整流電路圖

　　例如在離線式開關電源的輸入端，AC電源經(jīng)全波整流后，一般接一個大電容器，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重畸變，呈脈沖狀，其結果可以由如圖１所示整流電路在Matlab的Simulink中仿真結果得到驗證。從圖2可以看出，輸入電流

圖2 整流電路輸入點壓電流仿真圖

　　發(fā)生了嚴重畸變。因此，大量應用整流電路，要求電網(wǎng)供給嚴重畸變的非正弦電流，造成的嚴重后果是：諧波電流對電網(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，最關鍵的部分是控制系統(tǒng)的設計，控制方式的選取又是控制系統(tǒng)設計的核心?？刂齐娐房梢砸话氵x用模擬控制器和數(shù)字控制器,下面將詳細的分析模擬控制器和數(shù)字控制器在單相Boost功率因數(shù)校正電路中應用。

　　4.模擬控制PFC的實現(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的模擬控制電路結構方框圖。圖中Boost變換器工作在連續(xù)導電模式下，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成正比，從而達到功率因數(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，利用一個乘法器電路來控制正弦參考電流信號，從而獲得可調(diào)整的輸出電壓；同時，也具有輸出電壓的平均值。實際上模擬控制器可以概括為兩個控制環(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