【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 紀(jì) 80 年代后，電力電子設(shè)備中開(kāi)關(guān)電源、相控整流器等非線性負(fù)載的大量投入使用，給功率因數(shù)校正技術(shù)提出了新的問(wèn)題，同時(shí)也給出了新的發(fā)展契機(jī)。 1986 年美國(guó)公布“功率因數(shù)等于 1”的專利，這是最早的比較完整的升壓式功率因數(shù)電路，這一時(shí)期是現(xiàn)代有源功率因數(shù)校正技術(shù)發(fā)展的初級(jí)階段，當(dāng)時(shí)的研究工作主要集中在工作于連續(xù)導(dǎo)電模式 (Continuous Conduction Mode， CCM) 下的升壓變換器，這種控制方法主要是基于乘法器 控制技術(shù)，適用于大功率變換器。 20 世紀(jì) 80 年代末推出了非連續(xù)導(dǎo)電模式(Discontinuous Conduction Mode， DCM) 的變換器，由于其輸入電流自動(dòng)跟隨輸入電壓變化以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，因此這種校正技術(shù)也稱為“電壓跟隨器”，采用 DCM 模式的 PFC校正電路中只有輸出電壓一個(gè)控制量，因而控制方式比較簡(jiǎn)單，適用于中小功率場(chǎng)合。 近十年來(lái)，功率因數(shù)校正技術(shù)的研究熱點(diǎn)集中于新拓?fù)涞奶岢?、新的控制方法的提出以及單?jí) PFC 變換器的研究。 針對(duì)電動(dòng)汽車鉛酸動(dòng)力電池，設(shè)計(jì)大功率充電系統(tǒng)。主要 技術(shù)指標(biāo)：交流輸入電壓： 5 220V177。 10%；功率因數(shù)： ? ；效率： ? ；最大充電電流： 40A；最大輸出功率： 。本文主要針對(duì)電動(dòng)車用鉛酸蓄電池自身的特點(diǎn)，研究如何建立一個(gè)良好的鉛酸蓄電池充電系統(tǒng)。使動(dòng)力蓄電池工作在較理想的工況下，延長(zhǎng)其使用壽命，提高充電效率，同時(shí)不產(chǎn)生有害氣體，實(shí)現(xiàn)真正意義上的清潔高效。因此該課題的研究具有很好的現(xiàn)實(shí)意義和應(yīng)用前景。 功率因數(shù)校正原理 6 2 功率因數(shù)校正原理 功率因數(shù) (PF)定義為有功功率 (P)與視在功率 (S)的比值，用公式表示為 : ???? c o sc o sc 1111 ???? RR IIIU osIUSPPF (） 式中 : 1I 為輸入電流基波有效值； RI 為電網(wǎng)電流有效值 , 22221 …… nIIIIR ???? 其中1I , 2I ,?? nI 為輸入電流各次諧波有效值； 1U 為輸入電壓基波有效值； ? 為輸入電流的波形畸變因數(shù)； ?COS 為基波電壓和基波電流的位移因數(shù)。 可見(jiàn)，功率因數(shù)由輸入電流的波形畸變因數(shù) ? 以及基波電壓和基波電流的位移因數(shù)?COS 決定。 ?COS 越小，則設(shè)備 的無(wú)功功率越大，設(shè)備利用率越低，導(dǎo)線和變壓器繞組的損耗越大； ? 越小，表示設(shè)備輸入電流諧波分量越大，將造成電流波形畸變，對(duì)電網(wǎng)造成污染，使功率因數(shù)降低，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成電子設(shè)備損壞。從上式可見(jiàn)，抑制諧波分量即可達(dá)到增大 ? ，提高功率因數(shù)的目的。 電力負(fù)荷如電動(dòng)機(jī)、變壓器等，屬于既有電阻又有電感的電感性負(fù)載。電感性負(fù)載的電壓和電流的相量間存在著一個(gè)相位差， 通常用相位角φ的余弦 cosφ來(lái)表示。功率因數(shù)是反映電力用戶用電設(shè)備合理使用狀況、電能利用程度和用電管理水平的一項(xiàng)重要指標(biāo)。 功率因數(shù)分為自然功率因數(shù)、瞬時(shí)功率因數(shù)和加權(quán)平均功率因數(shù)。 (1)自然功率因數(shù)：是指用電設(shè)備沒(méi)有安裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備時(shí)的功率因數(shù)，或者說(shuō)用電設(shè)備本身所具有的功率因數(shù)。自然功率因數(shù)的高低主要取決于用電設(shè)備的負(fù)荷性質(zhì)，電阻性負(fù)荷 (白熾燈、電阻爐 )的功率因數(shù)較高，等于 1，而電感性負(fù)荷 (電動(dòng)機(jī)、電焊機(jī) )的功率因數(shù)比較低，都小于 1。 (2)瞬時(shí)功率因數(shù)：是指在某一瞬間由功率因數(shù)表讀 出的功率因數(shù)。瞬時(shí)功率因數(shù)是隨著用電設(shè)備的類型、負(fù)荷的大小和電壓的高低而時(shí)刻在變化。 (3)加權(quán)平均功率因數(shù)：是指在一定時(shí)間段內(nèi)功率因數(shù)的平均值。 圖 一般 APFC原理框圖 7 從圖 可以看出 APFC 基本電路就是一種開(kāi)關(guān)電源，但它與傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)電源的區(qū)別在于： DC/DC 變換之前沒(méi)有濾波電容，電壓是全波整流器輸出的半波正弦脈動(dòng)電壓，這個(gè)正弦半波脈動(dòng)直流電壓和整流器的輸出電流與輸出的負(fù)載電壓都受到實(shí)時(shí)的檢測(cè)與監(jiān)控，其控制的結(jié)果是達(dá)到全波整流器輸入功率因數(shù)近似為 1。 由公式（ ）可知，要提高功率因數(shù)有兩個(gè)途徑，即使輸入電壓，輸入電流同相位；使輸入電流正弦化。 利用功率因數(shù)校正技術(shù)可以使交流輸入電流波形完全跟蹤交流輸入電壓波形，使輸入電流波形呈純正弦波，并且和輸入電壓同相位，此時(shí)整流器的負(fù)載可等效為純電阻。 功率因數(shù)矯正電路分為有源和無(wú)源兩類。無(wú)源校正電路通常由大容量的電感，電容組成。雖然無(wú)源功率因素校正電路得到的功率因數(shù)不如有源功率因素校正電路高，但仍然可以使功率因素提高到 ~，因而在小功率電源中被廣泛采用。 所謂功率因數(shù)校正 (PFC)，就是在整流電路與負(fù)載之間增加一個(gè)功率變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，通過(guò)適當(dāng)?shù)目刂品椒ú粩嗾{(diào)節(jié)輸入電流，使其跟蹤輸入正弦波電壓波形，將輸入電流校正成與電網(wǎng)電壓同相的正弦波，因而功率因數(shù)可提高到近似為 1。由于該方案中應(yīng)用了有源器件，故稱為有源功率因數(shù)校正（ APFC）。即對(duì)電路采取措施，使輸入電流波形接近正弦波并與輸入電壓同相位，電流正弦化便使 ? =1，同相位就是因數(shù) cos? =1。 APFC 技術(shù)的思路是，控制已整流后的電流， 使之在對(duì)濾波大電容充電之前能與整流后的電壓波形相同， 從而避免形成電流脈沖，減小輸入電流諧波 ,達(dá)到改善功率因數(shù)的目的。 有源功率因數(shù)校正分類按電路結(jié)構(gòu)分為：降壓式、升 /降壓式、反激式、升壓式。 其中升壓式為簡(jiǎn)單電流型控制， PF 值高，總諧波失真小，效率高，適用于 75W~2020W功率范圍的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)用最為廣泛。 按輸入電流的控制原理分 為： 平均電流型 （ 工作頻率固定，輸入電流連續(xù) ）、 滯后電流型 、 峰值電流型 、 電壓控制型 。 下面就假設(shè)工作模式為 CCM，來(lái)介紹一下三種方法的特點(diǎn)： ，采用恒定的開(kāi)關(guān)電源工作頻率，只有穩(wěn)定的工作頻率才能有效地、快速地檢測(cè)出峰值電流，并將這一電流 “ 削尖 ” 、均化來(lái)控制開(kāi)關(guān)管，對(duì)PWM 進(jìn)行調(diào)節(jié)，使輸入電流波形與輸入電壓保持同步，從而提高功率因數(shù)。由于輸入電流 8 被 “ 削尖 ” ，在電路上對(duì)輸入電流波形需要進(jìn)行斜率補(bǔ)償。 APFC 電路中電感上的電流，當(dāng)電感電流達(dá)到一定值時(shí)，開(kāi)關(guān)管開(kāi)始導(dǎo)通；電感電流下降到一定值時(shí)，開(kāi)關(guān)管陡然截止，它的 控制方式是利用工作頻率改變來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通和截止。一般設(shè)計(jì)輸出濾波電路時(shí)，按最低工作頻率考慮，所以，開(kāi)關(guān)電源的體積和重量是最小的，工作損耗最小。 。THD 值小，對(duì)噪聲不敏感，電感電流峰值與平均值之間的誤差小，具有恒定的工作頻率，可以任意拓?fù)涓鞣N控制電路，輸入電壓可以隨便調(diào)節(jié)。這中方 法的缺點(diǎn)是控制電路比較復(fù)雜，需要增添電流誤差放大器。 控制法 是中間直流環(huán)節(jié)的儲(chǔ)能元件采用大電容，負(fù)載的無(wú)功功率將由它來(lái)緩沖，直流電壓比較平穩(wěn)，直 流電源內(nèi)阻較小，相當(dāng)于電壓源，故稱電壓型變頻器，常選用于負(fù)載電壓變化較大的場(chǎng)合。 工作頻率固定，電流不連續(xù)。 圖 幾種控制方法的輸入電流波形圖 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 9 3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 1 充電系統(tǒng)功率部分總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 圖 充電系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)流程框圖 如圖 整個(gè)電路采用了 AC/DC DC/DC 的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu) , 首先是 220V 的交流市電經(jīng) EMI濾波、 APFC 校正電路變?yōu)?380V 的直流 , 然后經(jīng) DC/DC 半橋變換及相應(yīng)的控制電路 , 保證輸出電流電壓滿足充電電池的需求。其中 PFC控制電路主要由 MOSFET 管、 Boost 升壓電感、控制芯片 ICE2PCS01 以及直流濾波電容組成。 DC/DC 變換采用半橋式拓?fù)?, 主要由高頻變壓器、 MOSFET 管以及 LC 濾波電路組成?？刂撇糠滞ㄟ^(guò)對(duì)蓄電池端電壓、電流信號(hào)的采集反饋 , 由 SG3525產(chǎn)生雙路 PWM波控制半橋拓?fù)渲?MOSFET管的通斷時(shí)間來(lái)控制充電電流和電壓。 Boost 有源功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì) BOOST 變換器的工作原理和控制方式 Boost PFC電路是現(xiàn)在應(yīng)用最廣泛的有源功率因數(shù)校正電路，主電路由不控整流電路、電感、開(kāi)關(guān)管和濾波電容組成。其輸入側(cè)有儲(chǔ)能電感可以減小輸入電流紋波，防止電網(wǎng)對(duì)主電路高頻瞬態(tài)沖擊，對(duì)整流器呈現(xiàn)電流源負(fù)載特性；其輸出側(cè)有濾波電容可以減小輸出電壓紋波，對(duì)負(fù)載呈現(xiàn)電壓源特性。 PFC電路主要完成兩項(xiàng)任務(wù)： (1)控制電感電流，使輸交流輸入 EMI 濾波 整流濾波 電路 APFC 電路 半橋電路 整流濾波 電路 動(dòng)力電池 ICE2PCS01 FAN7390 驅(qū)動(dòng) SG3525雙路PWM波生成 電壓電流反饋 電壓，電流溫度檢測(cè) 保護(hù)電路 光耦隔離 10 入電流正弦化保證 其失真因數(shù)接近于 1，并使輸入電流基波跟隨輸入電壓相位； (2)控制輸出電壓，使輸出電壓保持恒定。在連續(xù)模式時(shí)采用兩個(gè)控制環(huán)，電壓環(huán)是外環(huán)，采樣輸出電壓，保持輸出電壓恒定；電流環(huán)是內(nèi)環(huán)，采樣電感電流，迫使電感電流跟蹤電流給定，減小輸入電流諧波。 Boost 變換電路組成如圖 所示。 Boost 變換器的電感 fL 在輸入側(cè)，一般稱之為升壓電感。開(kāi)關(guān)管 Q 仍為 PWM 控制方式，但它的最大占空比 yD 必須限制，不允許在 1?yD 情況下工作， Boost 變換器有兩種基本的工作方式，一種是電感電流連續(xù)工作方式 (CCM)，另一種是電感電流斷續(xù)工作方式 (DCM)。本方案采用的是電感電流連續(xù)工作方式。 圖 Boost變換器的電路圖 當(dāng)電路中的電感電流工作在連續(xù)模式下， Boost 變換器存在兩種開(kāi)關(guān)模式，如下圖(a)和 (b)所示，同時(shí)圖 給出了 Boost 變換器在電感電流連續(xù)模式 (CCM)下工作的主要波形圖。 Di LSC f RLdL fU inU o+Di LSC f RLdL fU inU o+( a ) ( b ) 圖 不同開(kāi)關(guān) 模式下的等效電路 i oR Ldi cfC fDiLfL fU in++QU 0 11 SOi Lfi DV LV inV o V intI L fmi nI L fmaxT onT o ffOOOtttI L fmi nI L fmaxT sI i 圖 電感電流連續(xù)工作方式下的主要波形 有源功率因數(shù)校正 (APFC)是在輸入整流和 DCDC 功率變換之間增加一級(jí)變換器，利用相應(yīng)的控制電路 (現(xiàn)在主要采用專用集成控制芯片 )及輔助電路，使輸入端電流波形接近正弦波形并保持與輸入電壓波形同相，從而使輸入端功率因數(shù)接近于 1。 APFC 技術(shù)適應(yīng)電力電子技術(shù)的發(fā)展方向，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)常用儲(chǔ)能電感 L 和高頻開(kāi)關(guān) Q 組合，使輸入電流正弦化通常有以下幾種形式：升壓式 (Boost)電路，降壓式 (Buck)電路，反激式 (Flyback)變換器電路，降 /升壓 (BuckBoost)混合電路等幾種形式。而根據(jù)電流控制方式的不同，有源 PFC 電路可以分為峰值電流型、電流滯環(huán)控制型和平均電流型。 平均電流控制模式的 Boost PFC 電路工作原理 平均電流控制的 Boost PFC 電路具有 總諧波失真（ THD)值小，對(duì)噪聲不敏感，電感電流峰值與平均值之間的誤差小、可用于較大功率場(chǎng)合等優(yōu)點(diǎn)，成為我們?cè)O(shè)計(jì)的首選方案。 如圖 Boost 型平均電流控制法 PFC 電路控制原理圖。在這種 APFC 控制方法中，采用了電流控制環(huán)和電壓控制環(huán)，其中電流控制環(huán)使輸入電流更接近正弦波，電壓控制環(huán)使 Boost 電路輸出的電壓更穩(wěn)定?；鶞?zhǔn)電流由輸入整流電壓與輸出電壓誤差放大信號(hào)的乘積組成，其中從輸入整流電壓取樣的目的是使基準(zhǔn)電流與整流后的電壓波形同相，電流誤差放大器 CA 的輸出直接加到 PWM 比較器的同相輸入端， PWM 比較器的反相輸入端接到鋸齒波信號(hào)發(fā)生器的輸出端，這樣電流誤差放大器 CA 的輸出可直接控制 PWM 比較器的占空比。 12 圖