葉 猛, 李凱抒

(南京大學(xué) 電工電子實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心,江蘇 南京 210093)

0 引 言

以開(kāi)關(guān)電源[1-4]為代表的各種電子電力設(shè)備在各行業(yè)的廣泛應(yīng)用， 既促進(jìn)了經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，又改善了百姓的生活，但同時(shí)會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)造成嚴(yán)重的諧波危害[5-7]。表現(xiàn)在以下幾方面：諧波可造成自動(dòng)設(shè)備和繼電裝置的誤操作，諧波電流會(huì)作用于電網(wǎng)電壓使其產(chǎn)生畸變，嚴(yán)重地會(huì)破壞電力電子設(shè)備。通常，解決諧波危害方法有：用無(wú)源濾波或有源濾波電路來(lái)消除諧波，但電路修正之后功率因數(shù)還是較為低下，若采用功率因數(shù)修正技術(shù)[8]，可將功率因數(shù)提高到0.9以上。對(duì)于交-直流開(kāi)關(guān)電源需滿足輸入電壓與輸入電流同相位，同為正弦波。當(dāng)前，有源功率因數(shù)修正技術(shù)多數(shù)對(duì)電路仿真研究的很少，在采用或未采用有源功率因數(shù)修正下，對(duì)在不同輸入電壓值和輸出端負(fù)載阻值的情形時(shí), 電路仿真結(jié)果很少有進(jìn)行比較和分析的，而這些會(huì)直接影響功率因數(shù)[9]修正效果，電路的穩(wěn)定性。而這些正是本文所做的工作。

1 結(jié)構(gòu)框圖

有源功率因數(shù)修正的基本原理是：修正輸入電壓電流，讓輸入電流、電壓始終保持同相位，從而使之功率因數(shù)得以提高，主電路包括濾波、整流、DC-DC變換構(gòu)成。控制電路由電流誤差放大、PWM比較、柵極驅(qū)動(dòng)、電壓誤差放大和乘法器組成[10]。圖1是有源功率因數(shù)修正電路框圖。

圖1 功率因數(shù)修正電路框圖

DC-Output的電壓和基準(zhǔn)電壓比較后，送入電壓誤差放大，電壓誤差輸出的信號(hào)與整流輸出的電壓信號(hào)一起輸入乘法器電路，產(chǎn)生的信號(hào)作為基準(zhǔn)電流，與整流輸出的電流信號(hào)一起輸入電流誤差放大。輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)脈寬調(diào)節(jié)器加到功率開(kāi)關(guān)管的柵極，從而控制該管的通斷，使得整流后的輸入電壓與輸入電流無(wú)相位差，且同頻，這樣可減少電流諧波造成的損害，提高功率因數(shù)。

2 主電路

主電路由濾波、橋整流、DC-DC變換及負(fù)載構(gòu)成，基本原理圖如圖2所示。

圖2 主電路部分

DC-DC電壓增強(qiáng)變換器在主電路中的作用是最主要的，設(shè)開(kāi)關(guān)管S導(dǎo)通時(shí)長(zhǎng)為ton，關(guān)斷時(shí)長(zhǎng)為toff，則電路的周期T=ton+toff，可設(shè)占空比η=ton∕T，則可導(dǎo)出U0=1*UZ∕(1-η)(UZ為變換器的輸入電壓)。結(jié)論：η越大，U0就越大，若η被有效控制，則輸出電壓可得以控制。

3 控制電路

控制電路由電壓誤差放大、乘法器、電流誤差放大、驅(qū)動(dòng)功率管工作等構(gòu)成[11-12]，如圖3所示。

原理：有源功率因數(shù)修正電路之輸出電壓U0經(jīng)過(guò)R3、R4分壓得到的輸出電壓值，和參考值Uref經(jīng)過(guò)比較后，進(jìn)入電壓誤差放大器U1, U1的輸出信號(hào)與整流后的輸入電壓Uin經(jīng)R1、R2分壓后得到輸入電壓檢測(cè)值一并送入乘法器電路U2, 可產(chǎn)生基準(zhǔn)電流, 由整流后的輸入U(xiǎn)in取樣的意義是讓基準(zhǔn)電流與整流后的電壓波形同相位，基準(zhǔn)電流信號(hào)與U3采樣的電感電流檢測(cè)值流經(jīng)放大器U4先比較、后放大輸出。輸出信號(hào)與U3產(chǎn)生的鋸齒波一起送入電壓比較器U5，如此, U4的輸出控制U5輸出的PWM信號(hào)之占空比，強(qiáng)迫電感電流與其平均電流一致。如果電感電流增大，比較器U5輸出的占空比就會(huì)下降，導(dǎo)致電感電流降低：若電感電流減小時(shí)，U5的輸出占空比就上升，導(dǎo)致電感電流增加。當(dāng)U0增大時(shí)，U1的輸出下降，乘法器輸出基準(zhǔn)電流變小，電感上電流也減少，使輸出電壓U0減少；反之，電感電流增加，導(dǎo)致輸出電壓增大[13]。

圖3 控制電路部分

本電路設(shè)計(jì)主要指標(biāo)如下：輸入交流電壓150～270 V，輸入工頻50 Hz,輸出電壓600 V左右，輸出功率約600 W。管子開(kāi)關(guān)頻率99 kHz。以下是全電路數(shù)據(jù)設(shè)計(jì):提高型變換器升壓電感值L=1.3 mH;輸出電容 取維持時(shí)間35 ms. 則C=200 μF;功率開(kāi)關(guān)管選1 000 V,160 A, 二極管選800 V,16 A,恢復(fù)時(shí)間75 ns的管子;電流取樣電阻0.2 kΩ;電流峰值限制電阻R3=10 kΩ,R4=2 kΩ;前饋分壓電阻R1=910 kΩ,R2=42 kΩ;乘法器外圍R5=610 kΩ,R9=160 kΩ,R10=2 kΩ;振蕩器C2=2 nF,R6=5.6 kΩ;電流誤差補(bǔ)償R7=25 kΩ,C8=390 pF,C9=62 pF;電壓誤差補(bǔ)償C1=0.42 μF,R8(分壓)=6.5 kΩ,R9=30 kΩ。

4 仿真實(shí)驗(yàn)

利用OR-CAD進(jìn)行電路仿真與結(jié)果分析時(shí)，對(duì)一未用和采用有源功率因數(shù)修正的電源電路對(duì)比它們的輸入電壓、輸入電流波形、諧波成分，輸出電壓。得出結(jié)論：前者輸入電流呈脈沖狀，諧波分量大，功率因數(shù)低輸入電流總諧波畸變因數(shù)值1.2以上；后者輸出電壓基本穩(wěn)定在某一數(shù)值。輸入電流和電壓保持同相，呈正弦狀，諧波少，功因數(shù)高，諧波畸變因數(shù)值低于0.04。若將電路電感值增大些，對(duì)電路改進(jìn)前后比較：輸入電流紋波得到改善，如此，可增加功率因數(shù)。諧波危害可進(jìn)一步降低。

兩者電路在輸入不同有效值電壓時(shí)(150～270 V，輸出負(fù)載接650 Ω)可得仿真結(jié)論：輸出端電壓基本保持600 V左右，紋波電壓峰值小于10 V，輸入電流保持與550 V，輸入電壓同相位諧波畸變因數(shù)小于0.03. 當(dāng)輸入電壓為270 V時(shí)，此時(shí)的輸入電流相比輸入電壓150 V時(shí)，要降低一些，以維持輸入輸入功率的恒定。所以修正過(guò)的電路能夠保證輸入電流正弦化以及輸出電壓始終穩(wěn)定，獲得高功率因數(shù)。

兩者電路負(fù)載值不同時(shí)(負(fù)載接450 Ω,550 Ω時(shí))，顯然，輸出電壓是不同的，進(jìn)而影響電路的性能。輸入220 V，仿真結(jié)論是：若接負(fù)載阻值小，輸出電壓相應(yīng)小，但波動(dòng)不大，輸入電流稍有增加。總體看來(lái)：輸入電壓與電流保持同相位，諧波畸變因數(shù)小于0.04，輸出電壓穩(wěn)定在600 V。當(dāng)負(fù)載繼續(xù)加大，1.2、1.4、2、6 kΩ后，總體上：輸入電流仍可跟蹤輸入電壓波形，同相位，電路總諧畸因數(shù)小于0.05，輸出電壓較穩(wěn)定，功率因數(shù)高，但負(fù)載過(guò)大時(shí)，輸出電壓上升很快，諧畸因數(shù)過(guò)大，輸出端應(yīng)設(shè)保護(hù)措施。

動(dòng)態(tài)仿真分析：輸入電壓突變?cè)龃?，則輸出電壓在某一瞬時(shí)點(diǎn)處會(huì)略有增大，后經(jīng)極短的時(shí)間，電路入穩(wěn)態(tài)，輸出電壓保持在某一電壓值，輸入電流與電壓保持同相，僅電流幅值在輸入電壓增大后有所減小，為保持輸出功率的恒定。若輸入電壓突變減小，則情況與以上相反，但輸入電流還是與電壓同相位，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，輸出電壓恒定在某一電壓值。負(fù)載阻值突變?cè)龃?保持輸入電壓不變)，輸出電壓會(huì)突升，經(jīng)短時(shí)波動(dòng)后保持穩(wěn)定，紋波電壓減小些，輸入電流與電壓保持同相，正弦形態(tài)，僅僅電流幅度有所減小，解決這問(wèn)題的方法是適當(dāng)?shù)卦龃箅妷涵h(huán)路的增益。當(dāng)負(fù)載值突減小時(shí)，輸出電壓下降，短時(shí)之后就保持恒定，紋波稍變大，輸入電流與電壓保持同相，幅值增加一些[15]。

5 結(jié) 語(yǔ)

有源功率因數(shù)修正電路控制部分是以一塊芯片為核心組成的電壓和電流反饋補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)影響整個(gè)修正電路的修正精度。

仿真電路是經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)，正確的?？筛鶕?jù)仿真獲得最佳的實(shí)際電路參數(shù)。整個(gè)電路抗變化性能強(qiáng)，動(dòng)態(tài)性能也好，輸入電流的紋波顯著地降低，電路功率因數(shù)得到改善，總諧波畸變因數(shù)僅在0.04以下，達(dá)到了消除電網(wǎng)中的諧波不利的成分。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)：開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)應(yīng)力較大，應(yīng)著力減小開(kāi)關(guān)的應(yīng)力。管子過(guò)壓保護(hù)設(shè)計(jì)等，這些是今后應(yīng)研究的問(wèn)題。

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