夏明豪，楊文煥，夏天宇，石 俊

(上海理工大學(xué)光電信息與計算機工程學(xué)院，上海 200093)

隨著電力電子裝置和電源的廣泛應(yīng)用，輸入電網(wǎng)的諧波電流顯著增加，使供電網(wǎng)受到很大的污染。為減少電子設(shè)備對交流電網(wǎng)的諧波污染，越來越多的國家對用電設(shè)備的輸入電流諧波含量進行限制，從1994年1月開始，美國、歐洲、日本相繼頒布規(guī)定禁止沒有進行功率因數(shù)改善和諧波抑制的供電裝置進入市場，并針對高次諧波電流和功率因數(shù)制定了詳細的國際標準，如 IEC555－2、IEEE519、IEC1000 －3 －2 等［1］。因此，研究具有高功率因數(shù)和低諧波污染的電源裝置變得迫切，這也促使了世界各地的電源開發(fā)研究機構(gòu)投入了大量的人力和物力來研究這一課題［2］。

本文將針對傳統(tǒng)開關(guān)電源中存在的功率因數(shù)低、諧波污染大等問題，研究高功率因數(shù)開關(guān)電源以提高電能的利用率，減少對電網(wǎng)的污染［3］。文中采用平均電流型控制作為控制策略，以反激式電路作為主拓撲結(jié)構(gòu)，結(jié)合DC/DC變換器與傳統(tǒng)的Boost型PFC電路的特點，設(shè)計一款新型多路輸出高功率因數(shù)開關(guān)電源。高功率因數(shù)開關(guān)電源技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的發(fā)展必將為大幅度節(jié)約電能、降低材料消耗以及提高生產(chǎn)效率提供重要的技術(shù)支撐，并將對現(xiàn)代生產(chǎn)和生活產(chǎn)生深遠的影響。

1 有源功率因數(shù)校正原理及控制方法

1.1 主電路拓撲結(jié)構(gòu)

該有源功率因數(shù)校正的結(jié)構(gòu)如圖1所示，由整流電路、反激式DC/DC變換電路、輸出濾波電路和控制電路，驅(qū)動電路等組成。

圖1 PFC電路結(jié)構(gòu)框圖

在整流電路和濾波電容之間接入一級DC/DC變換電路，使得整流電路由原來的容性變?yōu)榧冏栊裕馆斎腚娏饔杉饷}沖變?yōu)檎也??；舅枷胧菍⒄麟娐放c濾波電容隔開使整流電路由容性負載變?yōu)樽栊载撦d。有源功率因數(shù)校正技術(shù)采用反饋控制手段，取出電路中的輸入電流和輸出電壓信號，對全控型功率開關(guān)器件的通斷進行控制，使其變?yōu)榕c電壓波形同頻率、同相位的正弦波，功率因數(shù)達到1，減小了電路中的無功功率和諧波電流，提高了功率因數(shù)［4］。

1.2 PFC技術(shù)控制方法

采用平均電流型控制的PFC原理圖如圖2所示。平均電流型控制的工作原理為:工作在電流連續(xù)的情況下，通過控制電感電流的平均值實現(xiàn)功率因數(shù)校正，電路中含有電壓閉環(huán)和電流閉環(huán)兩個控制環(huán)。輸出電壓U0經(jīng)過分壓器1/H后得到信號U0/H，U0/H與參考電壓Vref比較后，經(jīng)過電壓誤差放大器放大，得到的輸出信號作為乘法器的一個輸入信號，乘法器的另一個信號為經(jīng)整流后的電壓Vdc再經(jīng)過分壓網(wǎng)絡(luò)1/K后所得到的信號Vdc/K，乘法器輸出的信號為電流基準信號，與電感上的電流經(jīng)過檢測電阻Rs的信號iLRs經(jīng)過電流誤差放大器被平均化處理放大，產(chǎn)生的平均電流誤差信號與鋸齒波信號比較后輸出的信號作為開關(guān)管VT的驅(qū)動信號［5］。

圖2 平均電流型控制的PFC原理圖

電壓誤差放大器，電流誤差放大器的工作原理如圖3和圖4所示。

圖3 電壓誤差放大器

圖4 電流誤差放大器

在圖3中，由運放的基本特性可得

即

將R0，R1和C1的值帶入，即可得電壓閉環(huán)的PID參數(shù)。同理，在圖4中

可得

將 R1，R2，R3，C1和 C2的值帶入，即可得電流閉環(huán)的PID 參數(shù)［6］。

2 電路仿真及其結(jié)果分析

2.1 仿真電路搭建

利用Matlab/Simulink軟件搭建系統(tǒng)的仿真模型，如圖5所示?；谏鲜龇治?，將各個模塊組合搭建成基于反激式變換電路的PFC仿真模型。

圖5 反激式電路系統(tǒng)仿真模型

2.2 仿真結(jié)果分析

仿真電路相關(guān)的參數(shù)設(shè)置為:輸入220 V交流電壓，多路輸出的電壓分別為24 V，12 V和5 V，電路中的電感為2.5 mH，輸出直流母線電容均為470μF，鋸齒波頻率為50 kHz。輸出結(jié)果如圖6所示。

圖6 未加入PFC電路時的輸入電壓和電流波形

圖7 加入PFC電路時的輸入電壓和電流波形

由圖6和圖7分析可得出，電路未加入PFC電路時，電流波形不能跟隨電壓波形變換，電流中含有大量的諧波成分，功率因數(shù)低。

由圖8和圖9分析可以得出，電路沒有加入PFC電路時，輸入電流的THD=85.25%，電路加入PFC電路后，輸入電流的THD=4.34%，電流的諧波含量明顯降低。

圖8 未加入PFC電路時的輸入電流FFT分析結(jié)果

圖9 加入PFC電路后的輸入電流FFT分析結(jié)果

由圖10和圖11分析可得出，電路未加入PFC電路時，輸入電路的功率因數(shù)較低;電路加入PFC電路后，輸入電路的功率因數(shù)接近1，功率因數(shù)明顯提高。

圖10 未加入PFC電路時的功率因數(shù)曲線

圖11 加入PFC電路后的功率因數(shù)曲線

由圖12可知，該模型的輸出電壓穩(wěn)定，紋波系數(shù)較小。

圖12 多路輸出開關(guān)電源的輸出電壓特性曲線

3 結(jié)束語

本文仿真源至于實際的系統(tǒng)設(shè)計，而通過模型仿真又驗證并指導(dǎo)了系統(tǒng)設(shè)計。在Matlab R2010a/Simulink仿真環(huán)境下，搭建基于反激式變換電路的有源功率因數(shù)校正仿真電路，實驗效果良好，驗證了控制策略的正確性。

［1］國家技術(shù)監(jiān)督局.GB/T 14549－93.電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波［M］.北京:中國標準出版社，1993.

［2］楊旭，裴云慶，王兆安.開關(guān)電源技術(shù)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，2005.

［3］王鴻麟，景占榮.通信基礎(chǔ)電源［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2001.

［4］Yu Tao，Sung Junpa.A novel ripple－ reduced DC － DC converter［J］.Journal of Power Electronics，2009，9(3):396－402.

［5］陸治國，胡紅瓊.一種新型的電流型功率因數(shù)校正控制方法［J］.電氣應(yīng)用，2007，26(11):40 －44.

［6］何茂軍，李曉帆，付應(yīng)紅.PFC高頻整流器控制原理與控制策略的研究［J］.電力電子技術(shù)，2000(5):15－17.