喬琳君

（西安航空職業(yè)技術學院 陜西 西安 710089）

隨著電力電子技術的發(fā)展，電網中整流器、開關電源等非線性負載不斷增加。這些存在沖擊性的用電設備，將引起網側輸入電流發(fā)生嚴重畸變，產生大量諧波污染，導致電網功率因數過低，所以提高功率因數勢在必行[1]。

早期功率因數校正采用在整流器后加濾波電感電容實現(xiàn)，功率因數一般只有0.6左右；在20世紀90年代，有源功率因數校正（APFC）產生，是在整流器和負載之間接入一個DC/DC開關變換器，應用電流反饋技術，使輸入端電流波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，可以使輸入電流波形接近正弦，功率因數可提高到0.99以上。由于該方案采用了有源器件，故稱為有源功率因數校正APFC。

1 有源功率因數校正主電路拓撲

1.1 傳統(tǒng)Boost拓撲

傳統(tǒng)Boost PFC電路由整流橋和PFC組成，如圖1所示。

傳統(tǒng)Boost PFC電路工作時通過控制開關管的動作，采用反饋來控制電流波形，這樣可以使交流網側輸入電流跟蹤輸入交流電壓而接近正弦波，來提高功率因數。但其流通路徑有3個半導體工作，當變換器功率和開關頻率提高時，系統(tǒng)的系統(tǒng)通態(tài)損耗明顯增加，整體效率低[2-5]。

圖1 傳統(tǒng)Boost PFC電路拓撲Fig.1 The traditional Boost PFC circuit topology

1.2 無橋boost拓撲

1983年羅克韋爾（Rockwell）自動化公司率先提出了無橋PFC拓撲結構[6-7]，基本型無橋Boost PFC省掉了整流橋，所用開關器件少，具有通態(tài)損耗低、效率高的優(yōu)點。針對傳統(tǒng)有橋電路的問題，本文選用既能提高PF而且通態(tài)損耗低的無橋電路，如圖2所示。

圖2 無橋PFC電路拓撲Fig.2 No bridge PFC circuit topology

1.3 無橋PFC工作原理

無橋PFC電路共有4個工作模態(tài)，其中模態(tài)一和模態(tài)二為交流側在正半周的工作模態(tài)，其中模態(tài)三和模態(tài)四為交流側在負半周的工作模態(tài)，圖3中黑實線為電路在各模態(tài)工作時電流路徑。

模態(tài)一：VD1，VD2反偏截止。VT1導通，電流經VT1，VT2的體二極管給電感儲能。電感電流線性增加。負載由儲能電容C提供能量。

模態(tài)二：VD1正偏導通，電流經電感，VD，VT2的體二極管構成回路。此過程中電感釋放能量，電感電流下降。電感和電源串聯(lián)向電容C及負載供電。

圖3 無橋PFC電路工作模態(tài)Fig.3 No bridge PFC circuit work mode

模態(tài)三：VD1，VD2反偏截止。控制VT2導通，輸入電流經VT2通過VT1的體二極管給電感L1，L2儲能。負載由儲能電容為其提供能量。

模態(tài)四：VT2關斷，VD2正偏導通，輸入電流經電感，VD2，通過VT1的體二極管構成回路。此過程中電源和電感共同向負載供電。

由以上看，無橋PFC與有橋PFC相比，無橋拓撲用兩個MOSFET取代傳統(tǒng)整流橋下橋臂的兩個二極管，可節(jié)省功率器件，精簡電路拓撲，降低系統(tǒng)損耗，提高系統(tǒng)效率[4]。

1.4 無橋PFC的優(yōu)化

由以上知，基本無橋PFC電路具有一定優(yōu)點：像器件少、損耗低、效率高等。但同時存在一定的問題[5]：

1）EMI嚴重

從圖2看出，由于PFC電感直接與輸入電源相連，對高頻干擾信號來說電感相當于開路，這樣會導致電路各點電位都會隨開關頻率發(fā)生變化，電路中電位變化會在各點與大地之間存在的寄生電容內形成共模電流，由于電路中各點電位都處于浮動狀態(tài)，所以產生的共模電流也比傳統(tǒng)Boost PFC電路大得多，所以基本無橋電路的共模干擾比較嚴重，EMI問題突出。

2）電流采樣難

由圖3可知，在任意一個開關周期內，無橋Boost PFC電路都不能在一條回路上得到極性一致的電流采樣信號，所以需要構建比較復雜的電流檢測電路。

為解決基本無橋PFC電路的共模干擾嚴重、電流采樣難的問題，在基本無橋PFC電路上增加兩個快恢復二極管，如圖4所示，VD3、VD4的陰極直接與電源輸入端相連，而在VD3、VD4的陽極和VT1、VT2的源極之間加一采樣電阻Rs，這樣采樣電阻上的電壓就可以完全反映電感中的電流，從而減化電流檢測電路。

圖4 雙二級管式無橋PFCFig.4 Pairs of secondary pipe bridge PFC

2 控制方案

功率因數校正的目的是讓輸入電流能夠跟隨輸入電壓波形為正弦波，且二者基本同相位；傳統(tǒng)的控制方案有3種即峰值電流控制、滯環(huán)電流控制、平均電流控制。但傳統(tǒng)方案必須以乘法器為核心，使得控制電路復雜，接口設計繁瑣等。

2.1 單周期控制思想

單周期控制是美國加州大學的Smedley K M博士在20世紀90年代初提出的一種大信號、非線性PWM控制方式，是一種不需乘法器的新控制方法[4]。單周期控制的最大特點是：通過控制開關的占空比，讓電路無論處在穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)都能使受控量的平均值恰好等于或正比于給定Vref，從而在一個周期內有效地抑制了電源側的擾動。單周期控制技術在控制回路中不需要誤差綜合，系統(tǒng)響應快、開關頻率恒定、電流畸變小、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，成為適用于PFC電路的新型控制技術。

2.2 單周期控制過程

單周期工作波形如圖5所示。

圖5 單周期控制波形圖Fig.5 Single cycle control waveform figure

單周期控制環(huán)路包括電流內環(huán)和電壓外環(huán)，電流環(huán)采用了內嵌式的輸入電壓信號，通過脈寬調制調節(jié)與輸入電壓相關的占空比，使輸入平均電流跟隨輸入電壓且為正弦波，只要電路工作在連續(xù)模式，這種跟蹤關系就能維持。主電路輸出電壓經分壓電阻接入VFB與基準電壓VREF比較后得到調制電壓Vm。Vm分為兩路，其中：Vm與電流檢測端輸入信號IinRs經過運算得到Vm-IinRs，作為一路；另一路由調制電壓 Vm，經過帶觸發(fā)器的積分器得到三角波 ∫Vmdt，在CLOCK脈沖來臨時，積分器工作，然后以上兩路信號接入比較器進行比較，當 Vm-IinRs＞ ∫Vmdt時，比較器輸出為 1，發(fā)出驅動信號，開關管開通；當Vm-IinRs≤ ∫Vmdt時，比較器輸出為0，開關管關斷。

3 實驗與結論

本文采用Matlab Simulink搭建仿真電路，其中ui=15 V，Uo=20 V，F(xiàn)=100 kHz，C=0.4 F，L=8e-6 H。

3.1 基于單周期控制的驅動電路

基于單周期控制原理和圖5單周期工作波形，建立開關管的驅動控制系統(tǒng)，如圖6所示。

圖6 驅動電路Fig.6 Driver circuit

3.2 仿真電路

由以上的開關管驅動子系統(tǒng)，Matlab Simulink中的SimPowersystems模塊集里的Active&Reactive Power模塊搭建無橋有源功率因數校正仿真電路。

圖7 仿真總圖Fig.7 Simulation assembly drawing

3.3 仿真結果

以下圖8～11依次給出交流側輸入電流電壓波形，輸出直流電壓波形，功率因數及輸入電流的FFT分析結果。

圖8 輸入電壓電流波形Fig.8 Input voltage and current waveform

圖9 輸出電壓波形Fig.9 Output voltage waveform

圖10 功率因數Fig.10 Power factor

3.4 實驗結論

圖11 輸入電流諧波分析Fig.11 Input current harmonic analysis

由圖8看出輸入電流能夠跟隨輸入電壓波形為正弦波，且基本同相位；由圖9看出輸出電壓達到設計要求，紋波電壓很??；由圖10看出，電路穩(wěn)定后功率因數基本接近于1；由圖11看出輸入電流總諧波畸變率為6.34%，滿足標準。綜上，基于Matlab的單周期控制的無橋PFC功率因數校正好，開關器件少，損耗低，控制方案簡單，達到PF校正目的。

4 結束語

文中主要采用單周期控制方案對無橋Boost PFC進行仿真。在控制方案上選用無需乘法器的單周期控制使得控制電路簡單，主電路選用開關器件少，功耗低的無橋Boost電路。采用Matlab軟件對所設計的電路進行仿真，仿真表明單周期控制的無橋PFC達到功率因數提高的目的。

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