基于Matlab的交流斬波型PFC電路仿真研究

0 引 言

　　大量電力電子裝置和非線性負(fù)載的廣泛應(yīng)用，使得電力系統(tǒng)電壓及電流波形發(fā)生畸變，產(chǎn)生了大量的諧波，導(dǎo)致電源輸入功率因數(shù)降低，對(duì)電網(wǎng)環(huán)境造成嚴(yán)重的污染，使用電設(shè)備所處環(huán)境惡化，也對(duì)周圍的通信系統(tǒng)和公共電網(wǎng)以外的設(shè)備帶來(lái)危害。為了改善電網(wǎng)環(huán)境，必須了解產(chǎn)生諧波污染的原因，并對(duì)諧波進(jìn)行有效的抑制，進(jìn)行功率因數(shù)校正。為了提高供電線路功率因數(shù)，保護(hù)用電設(shè)備，世界上許多國(guó)家和相關(guān)國(guó)際組織制定出相應(yīng)的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，以限制諧波電流含量。如：IEC555-2，IEC61000-3-2，EN60555-2等標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)定允許產(chǎn)生的最大諧波電流。我國(guó)于1994年也頒布了《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標(biāo)準(zhǔn)(GB／T14549-93)。因此，功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)便成為電力電子研究的熱點(diǎn)。

　　1 諧波的抑制與功率因數(shù)校正方法

　　解決電力電子裝置和其他諧波源的污染問(wèn)題主要有兩種方法：一是采用無(wú)源濾波或有源濾波電路來(lái)旁路或?yàn)V除諧波；二是對(duì)電力電子裝置本身進(jìn)行改造，使其補(bǔ)償所產(chǎn)生的諧波，采用功率校正電路，使其具有功率因數(shù)校正功能。

　　功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)主要為無(wú)源PFC和有源APFC。無(wú)源PFC是采用無(wú)源元件來(lái)改善功率因數(shù)，減小電流諧波的，方法簡(jiǎn)單但電路龐大笨重，有些場(chǎng)合無(wú)法適用，且功率因數(shù)一般能達(dá)到0．90。有源APFC是將一個(gè)變換器串入整流濾波電路與DC／DC變換器之間，通過(guò)特殊的控制，強(qiáng)迫輸人電流跟隨輸入電壓，使得輸入電流波形接近于正弦波，并且與輸入電壓同相位，提高功率因數(shù)，使其達(dá)到功率因數(shù)為1的目標(biāo)。反饋輸出電壓使之穩(wěn)定，從而使DC／DC變換器的輸入事先預(yù)穩(wěn)，該方法設(shè)計(jì)易優(yōu)化，性能進(jìn)一步提高，因此應(yīng)用廣泛。

　　2 傳統(tǒng)功率因數(shù)校正電路的結(jié)構(gòu)及其缺點(diǎn)

　　基于PFC的拓?fù)潆娐返难芯楷F(xiàn)在已經(jīng)非常成熟，而且得到了十分廣泛的應(yīng)用，使用得最多的是升壓斬波(Boost)和降壓斬波(Buck)電路。傳統(tǒng)的單相功率因數(shù)校正電路的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　其中，Boost拓?fù)潆娐酚捎诮Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和成本低廉而最為流行，電路中交流電源通過(guò)專用整流橋轉(zhuǎn)換成直流，后經(jīng)過(guò)Boost PFC電路輸出，該方法具有較好的控制效果，在中小功率電源中應(yīng)用較為廣泛。但其也存在一些缺點(diǎn)：

(1)任何時(shí)刻都有三個(gè)半導(dǎo)體器件導(dǎo)通，隨著功率的提高，整流橋上消耗的功率也會(huì)隨之增加，從而提高了電源的發(fā)熱損失，降低了電源效率；
(2)該Boost電路有很高的開關(guān)頻率，增大了電路的開關(guān)損耗；
(3)直流側(cè)的二極管降低了直流電壓，增加了電路功耗和不穩(wěn)定性。
應(yīng)用這里所提出的交流斬波功率因數(shù)校正電路，可以解決傳統(tǒng)校正電路中存在的以上問(wèn)題。

　　3 交流斬波功率因數(shù)校正器的基本電路和工作原理

　　3．1 Boost型交流斬波功率因數(shù)校正電路

　　Boost型交流斬波功率因數(shù)校正電路的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示。

　　Q為雙向開關(guān)管。當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，輸入電流通過(guò)電感和開關(guān)管，電感儲(chǔ)能，同時(shí)直流側(cè)濾波電容給負(fù)載供電；當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，輸入電流經(jīng)過(guò)電感和整流二極管到達(dá)負(fù)載端，電感儲(chǔ)能和交流電源同時(shí)給負(fù)載和電容供電。
可以看出，與傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正電路相比較，具有以下優(yōu)點(diǎn)：當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，主回路電流不經(jīng)過(guò)整流橋的二極管，減小了功率損耗；傳統(tǒng)電路中的快速恢復(fù)二極管VD在交流斬波功率因數(shù)校正電路中也不存在了，減小了功率損耗，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

　　該電路相當(dāng)于兩個(gè)Boost電路的并聯(lián)，在克服傳統(tǒng)Boost PFC電路缺點(diǎn)的同時(shí)，保留了升壓電路的優(yōu)點(diǎn)。該方法的優(yōu)點(diǎn)在于：

(1)增強(qiáng)了傳統(tǒng)PFC電路的諧波抑制和功率因數(shù)校正能力，可實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)；
(2)交流側(cè)的電感增強(qiáng)了電路的電磁兼容性；
(3)降低了電路的傳導(dǎo)損失，任何時(shí)刻都只有兩個(gè)半導(dǎo)體器件導(dǎo)通；
(4)通過(guò)開關(guān)管M1和M2的額定電流較小。

　　3．2 Buck型交流斬波功率因數(shù)校正電路

　　圖3所示的為Buck功率因數(shù)校正電路的基本結(jié)構(gòu)，Q為雙向開關(guān)管。當(dāng)開關(guān)管斷開時(shí)，輸入電流通過(guò)電感、電容和開關(guān)管，電容C1儲(chǔ)能。

　　當(dāng)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，此時(shí)輸入電流經(jīng)過(guò)整流二極管到達(dá)負(fù)載端，電容儲(chǔ)能和交流電源同時(shí)給負(fù)載和電容供電。可以看出，Buck型交流斬波功率因數(shù)校正電路中，當(dāng)開關(guān)管斷開，主回路電流不經(jīng)過(guò)整流橋的二極管，可達(dá)到減小功率損耗的目的。

　　4 仿真分析

　　Simulink軟件是Matlab軟件包的擴(kuò)展，專門用于動(dòng)態(tài)系統(tǒng)的仿真，具有很強(qiáng)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)仿真能力，仿真速度較快，特別是基于simuIink Power System工具箱進(jìn)行功率因數(shù)校正電路的仿真，有兩個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)基于器件模型，可以仿真器件參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)的影響；
(2)仿真模型復(fù)雜。精度較高。可以將計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)運(yùn)用到PFC裝置的分析和設(shè)計(jì)中。

　以Boost型為例，對(duì)文中所提出的交流斬波功率因數(shù)校正電路進(jìn)行仿真分析。功率因數(shù)校正電路采用輸入電流斷續(xù)工作模式的峰值電流控制，仿真參數(shù)：uin=311sin ωt，L=0．7 mH，輸出功率P=500 W，uout=300 V。按圖4模型建模，仿真波形如圖5、圖6所示。其中，圖5為輸入電壓、電流的波形，圖6為輸出電壓的波形。

　　從圖5可以看出，輸入電壓和輸入電流進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，輸入電壓和輸入電流相位幾乎一致，輸入電流也幾乎是正弦波。整個(gè)仿真時(shí)間段內(nèi)的功率因數(shù)約為0．997。從圖6可看出，輸出電壓隨著仿真時(shí)間的進(jìn)行，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，輸出電壓在300 V上下波動(dòng)，符合電路設(shè)計(jì)要求。

　　5 結(jié) 語(yǔ)

　　這里討論了應(yīng)用較為成熟的單相Boost PFC電路的不足，介紹一種新型單相交流斬波功率因數(shù)校正電路，分析了其工作原理，并給出了仿真波形。結(jié)果表明，輸人電流具有很高的品質(zhì)因數(shù)，基本為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形，與輸入電壓相位相近，實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)。與傳統(tǒng)的電路相比，能減少系統(tǒng)的功耗，提高系統(tǒng)工作的可靠性，而取得相同的控制效果。仿真結(jié)果驗(yàn)證了方案的可行性。方案中的交流斬波電路除了采用Boost型和Buck型外，也可采用其他的功率變換電路。

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