李仁貴，榮 軍，劉 凱，常 波，楊 璐

(湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽 414006)

Boost變換器在單相功率因數(shù)校正技術(shù)中的應(yīng)用

李仁貴，榮 軍，劉 凱，常 波，楊 璐

(湖南理工學(xué)院信息與通信工程學(xué)院，湖南岳陽 414006)

簡要的介紹了Boos 變換器的工作原理，將其應(yīng)用于單相功率因數(shù)校正電路中，給出主電路參數(shù)的計算過程，在MATLAB仿真軟件中對其進(jìn)行了建模和仿真。仿真結(jié)果表明Boost變換器除了能升壓作用之外，還能實現(xiàn)功率因數(shù)校正的目的。

Boost變換器 斬波電路 功率因數(shù)校正 建模與仿真

0 引言

眾所周知，升壓斬波電路(Boost變換器)主要功能就是將一種直流電壓變換成另外一種直流電壓，能夠提升電壓，在一些需要直流電源的應(yīng)用場合應(yīng)用非常廣泛。Boost變換器除了具有升壓的功能之外，還有一個非常重要的應(yīng)用領(lǐng)域，比如在功率因數(shù)校正領(lǐng)域[1]。目前使用的開關(guān)電源其輸入端采用不控整流器和大電感以及濾波電容進(jìn)行濾波，造成嚴(yán)重諧波干擾，影響了電網(wǎng)的正常工作，另外采用不控整流器以及大電感以及大電容濾波，造成電容網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)下降到60%以下，電網(wǎng)質(zhì)量嚴(yán)重受損。所以世界各國采用了多種功率因數(shù)校正(PFC)方法，限制開關(guān)電源的諧波污染[2]。本文首先闡述Boost變換器的工作原理，然后將其應(yīng)用于單相功率因數(shù)校正電路，給出了主要參數(shù)的計算過程，最后在MATLAB中對其進(jìn)行了建模和仿真。

1 Boost變換器變換器主電路拓?fù)浼肮ぷ髟?/h2>

Boost變換器的電路圖以及工作波形圖如圖1(a)和(b)所示[3]。當(dāng)開關(guān)管V處于導(dǎo)通狀態(tài)時，圖中二極管VD關(guān)斷，電流流向電源E、電感L以及開關(guān)管V，此時電源E把能量儲存在電感L中，而電容C將先前存儲的能量通過電阻R釋放。由于輸出C值很大，基本能夠保持輸出電壓u0為恒值，記為U0。設(shè)V處于開通狀態(tài)時的時間為ton，此階段電感L上積蓄的能量為EI1ton。當(dāng)V處于關(guān)斷狀態(tài)時，此時的電流流向為電源E、電感L，二極管VD以及R，此時E和L共同向電容C充電，并向負(fù)載R提供能量。設(shè)V處于斷態(tài)的時間toff，則在此期間電感L釋放的能量為(U0-E)I1toff。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，一個周期T中電感L積蓄的能量與釋放的能量相等，即

上式中T/ toff≥1，很明顯輸出電壓大于輸入電壓，故稱該電路為升壓斬波電路，也稱之為Boost變換器。

圖1 Boost變換器電路及工作波形圖

2 Boost變換器在單相功率因數(shù)校正電路中的應(yīng)用及參數(shù)計算

Boost變換器在單相功率因數(shù)校正電路中的工作電路如圖2所示，功率因數(shù)校正的目的就是使交流輸入電流跟隨輸入電壓，使其功率因數(shù)接近于1。

圖2 Boost變換器在單相功率因數(shù)校正電路中的電路

3.1 升壓電感L的設(shè)計

電感將決定在輸入側(cè)高頻紋波電流的大小，且它的值與紋波電流的大小有關(guān)。電感值由輸入側(cè)的交流電流峰值來決定。由于最大的峰值電流出現(xiàn)在線電壓為最小值,負(fù)載最大時,所以有：

假如允許電感電流有20%的電流脈動，則有：

電感值是由半波整流最低輸出電壓時的電流峰值在此電壓時的占空比D以及開關(guān)頻率所決定的。因此首先確定占空比D的取值，其計算公式如下：

為了方便起見，電感值被四舍五入而以整數(shù)0.2 mH代替。

3.2 輸出電容CO的設(shè)計

PFC電路的輸出電容的選擇計算公式如下所示：

式中：Pout——負(fù)載功率；Δt——電容維持時間，取40 ms；VO——輸出電壓；VO(min)——維持負(fù)載工作的最小電壓。

3 單相Boost功率因數(shù)校正電路在MATLAB中的建模與仿真

3.1 Boost單相功率因數(shù)校正電路在MATLAB/ Simulink中的仿真模型

單相不控整流未加入Boost功率因數(shù)校正電路和加Boost功率因數(shù)校數(shù)校正電路在MATLAB/Simulink的仿真模型分別如圖3和圖4所示，其中圖4是采用有源功率因數(shù)校正閉環(huán)控制系統(tǒng)[4,5]，它主要由電源、濾波電路、升壓電感、負(fù)載以及控制電路組成。在圖4所示的仿真模型中，閉環(huán)控制電路是整個建模仿真的核心，在這里本文做詳細(xì)說明：三角波發(fā)生電路由時鐘Clock l 、采樣保持器ZOHl 、復(fù)合器Mux2以及通用表達(dá)式Fcn3 構(gòu)成，采樣時間為0.00002 s ，得到開關(guān)頻率為50 kHz 、幅值為2.5 的鋸齒披。電壓濾波器由常數(shù)Constant l 、加法器Add l 、傳遞函數(shù)ransfer Fcn l 和飽和器Satuation2 組成，完成對負(fù)載電壓的檢測與給定電壓的比較、濾波和放大。輸入交流電壓波形檢測部分由正弦波發(fā)生器Sine Wave l 、求絕對值器Abs l 和通用表達(dá)式Fcn4 組成，其中Sine Wave l 的幅值為0.05 V ，與電源VS l 波形和相位完全一樣，F(xiàn)cn4 負(fù)責(zé)補償過零補償。上述兩者結(jié)果經(jīng)過乘法器Product l 相乘后的乘積為輸入?yún)⒖茧娏餍盘?，與電壓表VM2 檢測得到的電感電流信號相比較作為電流PI 調(diào)節(jié)器的輸入。電流PI 調(diào)節(jié)器由傳遞函數(shù)Transfer Fcn2 、飽和器Satuation2 、通用表達(dá)式Fcn5 組成，F(xiàn)cn5 負(fù)責(zé)改善輸入電流波形，得到的結(jié)果通過Mux3 復(fù)合和通用表達(dá)式Fcn3 與鋸齒披相比較得到PWM 脈沖，驅(qū)動Mosfet l 開通與關(guān)斷PI 調(diào)節(jié)器由傳遞函數(shù)Transfer Fcn2 、飽和器Satuation2 、通用達(dá)式Fcn5 組成，F(xiàn)cn5 負(fù)責(zé)改善輸入電流波形，得到的結(jié)果通過Mux3 復(fù)合和通用表達(dá)式Fcn3 與鋸齒披相比較得到PWM 脈沖，最終驅(qū)動Mosfet l開通與關(guān)斷。

圖3 未加入Boost功率因數(shù)校正電路的仿真模型

圖4 加入Boost功率因數(shù)校正電路的仿真模型

3.2 仿真結(jié)果分析

在仿真模型搭建完畢后對其仿真，校正之前和校正之后的交流輸入電壓和輸入電流仿真波形分別如圖5和圖6所示，從圖5可以看出未校正之前輸入電流發(fā)生畸變，圖5中發(fā)生畸變的是輸入電流，其值超過輸入電壓時由于仿真設(shè)置中將輸入電壓除以20，即縮小了20倍。而圖6所示的仿真波形為校正之后的交流輸入電電壓和電流仿真波形，從圖6很明顯可以看出輸入電流很好的跟隨輸入電壓，達(dá)到了功率因數(shù)校正的目的。

圖5 未校正之前輸入電壓電流仿真圖

4 結(jié)論

綜上所述：Boost 變換器除了能將一種直流電壓變成另外一種更高的直流電壓之外，還能應(yīng)用在單相功率因數(shù)校正技術(shù)中，能夠?qū)⒄髌鞯妮斎腚娏餍Ｕ蔀榕c電網(wǎng)電壓同相位的正弦波，消除了諧波和無功電流，因而能將電網(wǎng)功率因數(shù)提高到近似為1。

圖6 校正之后輸入電壓電流仿真圖

[1] 路秋生. 功率因素校正技術(shù)與應(yīng)用[M]. 北京∶ 機械工業(yè)出版社, 2006.

[2] 藍(lán)希清, 胡立坤, 盧子廣. 基于SVG的功率因數(shù)校正系統(tǒng)研究[J]. 計算技術(shù)與自動化, 2014, 33(3)∶ 22-26.

[3] 王兆安, 劉進(jìn)軍. 電力電子技術(shù)[M]. 北京∶ 機械工業(yè)出版社, 2000.

[4] 榮軍, 李一鳴. Boost ZVT-PWM變換器在單相功率因數(shù)校正的應(yīng)用[J]. 船電技術(shù), 2010, 30(9)∶ 31 -34.

[5] 洪乃剛. 電力電子和電力拖動控制系統(tǒng)MATLAB 的仿真[M]. 北京∶ 機械工業(yè)出版社, 2006.

The Application of Boost Converter to Single Power Factor Correction

Li Rengui, Rong Jun, Liu Kai, Chang Bo, Yang Lu

(Department of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, Hunan, China)

The paper briefly introduces the principle of Boost converter, and applies the circuit to the single-phase power factor correction circuit. It gives the calculation process of main circuit parameters, and carries out modeling and simulation by the simulation software of MATLAB. The simulation results show that the Boost converter can achieve the objective of power factor correction in addition to the boost effect.

boost converter; chopper circuit; power factor correction; modeling and simulation

TM46

A

1003-4862(2015)08-0032-04

2015-05-07

李仁貴（1993-），男，本科在讀。專業(yè)方向：自動化專業(yè)。