劉少龍，劉 力，楊啟帆，徐葉斌，劉濤瑜

（中國(guó)航空工業(yè)集團(tuán)公司西安航空計(jì)算技術(shù)研究所，陜西 西安 710076）

0 引 言

開(kāi)關(guān)電源變換器具有響應(yīng)速度快、體積重量均明顯減小、損耗低以及帶負(fù)載能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此大部分應(yīng)用場(chǎng)合下開(kāi)關(guān)電源基本已取代了線性電源[1]。但是，開(kāi)關(guān)電源也帶來(lái)了一些在使用中無(wú)法避免的負(fù)面問(wèn)題，其中主要的問(wèn)題就是對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波和無(wú)功污染[2,3]。

為了有效減少開(kāi)關(guān)電源并網(wǎng)產(chǎn)生的諧波和無(wú)功污染，目前主要通過(guò)功率因數(shù)校正電路來(lái)進(jìn)行解決[4]。文獻(xiàn)[5]和文獻(xiàn)[6]針對(duì)功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）控制電路分別提出了變占空比的PFC控制方式和基于狀態(tài)監(jiān)測(cè)器的控制方法，雖然可以在一定程度上減少諧波電流分量，但也明顯增加了控制電路的復(fù)雜度和設(shè)計(jì)成本。文獻(xiàn)[7]從理論上闡述了不同種類(lèi)的功率因數(shù)校正技術(shù)，卻只做了理論的說(shuō)明，而沒(méi)有提及具體的工程實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[8]提出了一種單開(kāi)關(guān)整合式PFC變換器，該變換器雖可以改善BUCK型PFC電路諧波電流大的缺點(diǎn)，但不適合大功率的應(yīng)用場(chǎng)合。

電流諧波產(chǎn)生的主要原因是開(kāi)關(guān)電源中二極管構(gòu)成的不可控容性整流電路工作時(shí)的電流不連續(xù)，解決這一問(wèn)題的辦法就是對(duì)開(kāi)關(guān)電源設(shè)備中的電流脈沖幅度進(jìn)行抑制，使得電流波形盡量接近正弦波[9]。綜上所述，本文結(jié)合單相交流供電設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，提出了一種諧波抑制效果明顯、功率因素顯著提高、同時(shí)可以達(dá)到小型化目的的功率因數(shù)變換裝置。

1 單相有源功率因數(shù)校正的基本原理

通過(guò)對(duì)電流脈沖的幅度進(jìn)行限制，使電流波形盡量接近正弦波，是功率因數(shù)校正技術(shù)的目的[10,11]。有源功率因數(shù)校正電路通常采用電壓控制性晶體管對(duì)主電路回路的電流進(jìn)行幅值和相位的控制，使其盡量與輸入電壓相位接近、波形相同，總諧波含量可削弱至5.0%以下，功率因數(shù)可達(dá)到0.99以上[12,13]。

典型的單相有源有源功率因數(shù)校正電路如圖1所示。流過(guò)電感L的電流受開(kāi)關(guān)管S的通斷控制。當(dāng)開(kāi)關(guān)管S在1個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)處于導(dǎo)通狀態(tài)，輸入電壓Ui通過(guò)整流橋后給電感L充電，電感電流增加，當(dāng)開(kāi)關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)，則電感L上存儲(chǔ)的電能給后級(jí)電路放電，電感電流下降。

圖1 單相有源功率因數(shù)校正電路

電感電流可控的原理可以通過(guò)狀態(tài)平均等效電路法來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，如圖2所示。將電路中的電壓和電流用相量表示，可以得出為輸入電壓相量，為電感電流相量，而電感兩端的電壓則超前相位90°。選擇合適的開(kāi)關(guān)管通斷占空比控制率D(t)，使得，按照正弦規(guī)律變化，且相位比輸入電壓相量超前90°，即可實(shí)現(xiàn)電感電流對(duì)輸入電壓波形的相位跟蹤。

圖2 電感電流可控狀態(tài)平均等效電路

為了獲取與輸入電壓同相位的電感電流值，關(guān)鍵是確保開(kāi)關(guān)器件的占空比滿足要求。通常在工程設(shè)計(jì)中，開(kāi)關(guān)器件合適的占空比由控制電路產(chǎn)生，控制電路的電流給定信號(hào)為正弦絕對(duì)值信號(hào)，因此閉環(huán)控制會(huì)不斷調(diào)節(jié)實(shí)際工作中流過(guò)電感的電流波形接近正弦絕對(duì)值信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。

2 主電路參數(shù)計(jì)算和選型

下面以電流連續(xù)模式PFC電路為例，介紹主電路中開(kāi)關(guān)管S、升壓電感L以及二極管VD5等關(guān)鍵器件的電氣參數(shù)計(jì)算。

輸入電壓通常為正弦波，此處忽略電流紋波的理想情況下可認(rèn)為經(jīng)過(guò)該P(yáng)FC電路后電流和電壓相位完全相同，即功率因數(shù)為1，計(jì)算公式為

式中：Ui、Ii分別為輸入電壓和輸入電流的幅值；ω為輸入電壓Ui的角頻率。

流過(guò)電感的電流為輸入電流的絕對(duì)值，為輸入電流經(jīng)過(guò)全波整流后的波形，因此有根據(jù)電路的狀態(tài)空間平均模型，則有相應(yīng)的計(jì)算公式為

式中：D(t)為開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通占空比，其隨著時(shí)間實(shí)時(shí)變化；D'(t)為開(kāi)關(guān)管關(guān)斷占空比，與D(t)相加之和為1；Uo為輸出電壓。

根據(jù)式（3）可以近似得出

流過(guò)開(kāi)關(guān)管電流的表達(dá)式為

式中：k=0,1,…,N-1。當(dāng)該升壓變換電路穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，TS→0、N→∞，則可得出開(kāi)關(guān)管電流在輸入電壓周期內(nèi)的有效值近似為

式中：IsRMS、IiRMS、UiRMS分別為開(kāi)關(guān)管電流有效值、輸入電流有效值以及輸入電壓有效值。

根據(jù)二極管電流和開(kāi)關(guān)管電流之間的關(guān)系，可得出二極管電流的有效值為

在電流連續(xù)模式下，電感電流最大有效值可近似表示為

根據(jù)最大紋波電流峰峰值可計(jì)算得出升壓電感的電感量，計(jì)算方式如下。

式中：Uimax為輸入電壓的峰值。

3 控制電路設(shè)計(jì)

實(shí)用的單相功率因數(shù)校正電路采用電流連續(xù)模式或臨界導(dǎo)電模式，較少采用電感電流斷續(xù)工作模式。本設(shè)計(jì)中電路設(shè)計(jì)選用電流連續(xù)工作模式，選用UC3854作為主功率電路的控制芯片?？刂齐娐吩砣鐖D3所示。

圖3 控制電路原理

控制電路是完成輸入電流相位控制和輸出電壓幅值控制的核心，其經(jīng)過(guò)2級(jí)PI計(jì)算得到的開(kāi)關(guān)信號(hào)直接輸入開(kāi)關(guān)管的控制端，實(shí)現(xiàn)電路的雙閉環(huán)控制。

雙閉環(huán)控制由外環(huán)電壓環(huán)和內(nèi)環(huán)電流環(huán)構(gòu)成，雙環(huán)均采用比例積分的控制原理。電壓環(huán)實(shí)時(shí)采集PFC電路負(fù)載輸出端的直流電壓值并與給定電壓值參考值進(jìn)行比較，將二者差值進(jìn)行比例運(yùn)算和積分運(yùn)算后作為電流環(huán)的給定信號(hào)之一。電流環(huán)實(shí)時(shí)控制流過(guò)電感的電流值，其給定值的計(jì)算一部分來(lái)自前端電壓環(huán)的PI計(jì)算結(jié)果，另一部分來(lái)自整流橋的輸出，整流橋的輸出在實(shí)際計(jì)算中會(huì)做絕對(duì)值處理，目的是給電流環(huán)提供1個(gè)正弦絕對(duì)值參考信號(hào)，讓電感電流的波形和相位去接近該參考信號(hào)。實(shí)際應(yīng)用中，電流環(huán)的參考還加入了前端的電壓有效值。前端電壓采集電路實(shí)時(shí)采集整流橋的輸出電壓，獲取該電壓的有效值信號(hào)，將該有效值信號(hào)再進(jìn)行平方運(yùn)算，目的是將輸入電壓的變換快速反饋到電流環(huán)的PI計(jì)算結(jié)果中，然后通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷來(lái)快速調(diào)整PFC電路的輸出信號(hào)，以達(dá)到輸出電壓對(duì)輸入電壓變化的迅速響應(yīng)，確保不會(huì)長(zhǎng)時(shí)增大電流對(duì)電路產(chǎn)生損壞。

乘法器電路依據(jù)3部分的電流參考輸入值進(jìn)行乘除運(yùn)算，得出最終的電流環(huán)給定信號(hào)。該給定信號(hào)再和實(shí)際電流值進(jìn)行PI比較運(yùn)算，得出電流環(huán)的輸出結(jié)果。電流環(huán)輸出結(jié)果信號(hào)即為雙環(huán)PI控制器最終輸出的控制量。該控制量和振蕩器輸出的鋸齒波載波信號(hào)同時(shí)輸入至脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）比較器，比較后便可得出頻率一定且占空比隨著控制量變換的PWM信號(hào)。該P(yáng)WM信號(hào)在經(jīng)過(guò)一級(jí)驅(qū)動(dòng)放大電路后，得到最終的控制信號(hào)，并將其輸入至開(kāi)關(guān)管的控制端，實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)管的通斷控制。該控制信號(hào)內(nèi)包含了輸出電壓與輸入電壓的差值、電流波形相位與給定信號(hào)的差值以及輸入電壓的變化信息，因此通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管的工作狀態(tài)便可直接達(dá)到電路電壓閉環(huán)和功率因素校正的目的。

4 結(jié) 論

單相有源功率因數(shù)校正電路在單相交流供電的場(chǎng)合下應(yīng)用廣泛，同時(shí)根據(jù)單相有源功率因數(shù)校正電路的基本原理也可以推廣得出三相有源功率因數(shù)校正電路。單相PFC電路能很好地利用開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷來(lái)達(dá)到功率因數(shù)校正的目的，大多數(shù)情況下校正后的功率因數(shù)均接近于1。同時(shí)經(jīng)過(guò)調(diào)節(jié)電流相位可保證電流波形跟隨電壓波形而不產(chǎn)生明顯畸變，大大減小了電路中的諧波污染，具有重要的應(yīng)用價(jià)值。