無橋Boost PFC在UPS中的應(yīng)用研究

1 引言
不間斷電源在主要用于給單臺計算機、計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)或其它電力電子設(shè)備提供不間斷的電力供應(yīng)，應(yīng)用場合和領(lǐng)域都很廣泛。傳統(tǒng)UPS電源輸入側(cè)直接接在電網(wǎng)上，電網(wǎng)通過不控整流后作為直流電給UPS提供電能。二極管不控整流沒有對網(wǎng)側(cè)電流進行控制，會使網(wǎng)側(cè)輸入電流諧波含量相當高。所以這種結(jié)構(gòu)的UPS電源在工作時的網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)很低，這樣就對電網(wǎng)造成了諧波污染。在提倡清潔使用能源的今天，這樣的裝置顯然不符合綠色能源的要求。功率因數(shù)校正就是針對功率因數(shù)低的電力電子裝置，通過控制電壓電流相位關(guān)系，提高電力電子裝置工作時的功率因數(shù)。本文采用無橋Boost PFC拓撲結(jié)構(gòu)，將其應(yīng)用在UPS領(lǐng)域，提高UPS的功率因數(shù)，達到清潔使用能源的目的[1]。

2 無橋Boost PFC電路的工作原理

圖1 無橋Boost PFC電路拓撲：(a).Boost PFC的電路構(gòu)；(b).開關(guān)管導通時的等效電路；(c).開關(guān)管關(guān)斷時的等效電路

無橋Boost PFC電路拓撲如圖1所示。其中(b)和(c)分別為開關(guān)管導通和關(guān)斷時的等效電路。這里做如下定義：
交流輸入電壓 uac=UMsinωt
交流輸入電流 iac
整流輸出電壓 Ud=UM|sinωt|
輸出側(cè)電壓 Udc
電感兩端電壓 UL
流過電感電流 iL
開關(guān)管導通時，電感L兩端的電壓ULon=Ud= UM|sinωt|>0，，此時電感電流增大，電感儲能；開關(guān)管關(guān)斷時電感L兩端的電壓ULoff=Ud-Udc,因為電路拓撲為升壓電路，所以UdUdc, ,電感電流減小。設(shè)開關(guān)管的開關(guān)周期為T，占空比為D，則電路穩(wěn)定工作時，根據(jù)伏秒平衡原則可以得道
(1)
將ULon=UM|sinωt|和ULoff=UM|sinωt|-Udc帶入公式(1),可以求出占空比
(2)
從而可以知道，為保證電感電流連續(xù)，減小輸入電流諧波含量，占空比D應(yīng)按照網(wǎng)側(cè)電壓按正弦變化[2]。
電感電流iL= |iac|，如果給定一正弦電流信號i,使電感電流在開關(guān)管開關(guān)狀態(tài)更迭中跟蹤給定電流信號，那么當載波頻率遠大于正弦波頻率時，電感電流iL也將按正弦規(guī)律變化。如果給定的正弦電流信號的相位和網(wǎng)側(cè)電壓一致，那么在每一個半波種電感電流iL將按網(wǎng)側(cè)電壓相位變化，則網(wǎng)側(cè)電流相位將與網(wǎng)側(cè)電壓相位一致。
電路控制必須實現(xiàn)以下兩個要求：
(1)實現(xiàn)輸出直流電壓Ud的閉環(huán)調(diào)節(jié)；
(2)實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流跟蹤網(wǎng)側(cè)電壓相位，保證網(wǎng)側(cè)電流的正弦化[3]。

圖2.Boost PFC的雙閉環(huán)控制框圖

3 Boost PFC電路的雙閉環(huán)控制
上節(jié)提到了要實現(xiàn)對電路的PFC功能，必須對電路進行電壓和電流的同時控制，所以采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略。電壓外環(huán)實現(xiàn)直流輸出的穩(wěn)定，電壓外環(huán)的輸出作為電流內(nèi)環(huán)的給定，實現(xiàn)輸出穩(wěn)壓的同時對網(wǎng)側(cè)電流按照網(wǎng)側(cè)電壓進行相位控制，實現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流的正弦化[3]。
如圖2所示，從輸出側(cè)采樣輸出電壓，通過給定電壓Udc*與輸出電壓Udc的比較，其比較的差值與整流輸出后的半波電壓Ud分別作為乘法器的輸入，這樣乘法器的輸出與輸出誤差信號成比例，相位與整理后的半波信號相同，乘法器輸出作為電流內(nèi)環(huán)比較器的給定。采樣流過電感的電流，即為交流輸入電流的絕對值，電感電流作為電流內(nèi)環(huán)比較器的另外一個輸入，與乘法器輸出進行比較，兩者的誤差信號作為調(diào)制波，與載波三角波進行比較產(chǎn)生PWM開關(guān)信號，控制開關(guān)管的開通與關(guān)斷。
通過以上的雙閉環(huán)控制策略，電壓外環(huán)可以穩(wěn)定直流輸出電壓，電流內(nèi)環(huán)通過跟蹤半波信號，實現(xiàn)電感電流的正弦化，相位與電壓半波信號一致，從而達到了穩(wěn)定輸出電壓和交流輸入電流的正弦化和相位跟蹤，網(wǎng)側(cè)電壓電流同相位，實現(xiàn)功率因數(shù)校正。

4 仿真和實驗
通過對Boost PFC電路原理和Boost PFC電路的雙閉環(huán)控制策略進行了分析后，對電路進行了Matlab/simulink的仿真，搭建了雙閉環(huán)控制的仿真模型，并且搭建了Boost PFC電路應(yīng)用在UPS逆變電源中的仿真模型[5]。

圖3 Boost PFC電路的仿真模型

輸入交流電壓有效值Uac=60V，輸出電壓為Udc=150V，負載電阻為30Ω。

圖4 直流輸出電壓波形：(a)直流電壓波形；
(b)穩(wěn)態(tài)的直流電壓波形

由圖4(a)可以看到，直流輸出電壓穩(wěn)定在給定值150V，動態(tài)響應(yīng)較快，由于Boost直流輸入電壓為饅頭波，所以直流輸出穩(wěn)態(tài)電壓有2倍工頻的波動，這在圖4(b)可以看出。

圖5 網(wǎng)側(cè)電壓電流信號

網(wǎng)側(cè)輸入電壓電流信號如圖5所示?？梢钥闯?，交流輸入電壓電流信號同相位，輸入電流正弦度很好。由圖5可以看到，Boost PFC達到了功率因數(shù)校正的作用。

圖6 Boost PFC在UPS中應(yīng)用的仿真

圖7 應(yīng)用在UPS中的Boost PFC的網(wǎng)側(cè)電壓電流波形

圖8 UPS輸出電壓波形

Boost PFC輸入交流電壓有效值Uac=60V，輸出電壓為Udc=150V，UPS交流輸出電壓有效值Uout_put=48V。
可以看到UPS交流輸出電壓峰值穩(wěn)定在48V，輸出電壓波形正弦度很好。Boost PFC輸入電壓電流波形無相位差，電流正弦度很好，諧波含量少，應(yīng)用在UPS電源中的Boost PFC電路達到了功率因數(shù)校正的作用。
在仿真的基礎(chǔ)上，前級PFC電路以UC3854為控制芯片，后級逆變單元采用微芯公司的dsPIC30F4011單片機為控制芯片，搭建了加入PFC電路的UPS的硬件平臺，進行實驗研究。實驗參數(shù)與仿真參數(shù)一致，得到輸入側(cè)電壓電流波形如圖9所示，輸出電壓電流波形如圖10所示。

圖9 輸入電壓電流波形

圖10 輸出電壓電流波形

5 結(jié)論
本文通過Matlab/simulink搭建的Boost PFC模型和加入Boost PFC的逆變器的模型，對PFC電路進行了仿真，在仿真的基礎(chǔ)上，以dsPIC30F4011為控制芯片，進行了實驗驗證，仿真和實驗結(jié)果驗證了本文提出的想法的正確性和可行性。

參考文獻
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作者簡介
李賀龍 ，1987年出生，男 ，碩士研究生， 哈爾濱工業(yè)大學電氣工程及其自動化學院電氣工程系 ，研究方向為逆變器和變頻器。 ■