【導(dǎo)讀】數(shù)校正技術(shù)誕生與20世紀(jì)80年代，它采用的是高頻開關(guān)工作方式，具有體積小，應(yīng)性強(qiáng)，由于不需要載波，所以輸出電壓不含特定頻率的諧波分量，另外，這種控制方式，壓得到有效的穩(wěn)定值。同時也調(diào)節(jié)了交流側(cè)電流的大小和相位,實現(xiàn)能量在交流側(cè)和直流側(cè)。的雙向流動,并使變流裝置獲得良好的功率因數(shù)。最后建立其Matlab的仿真模型,驗證了設(shè)

　　

【正文】 損耗。 有源功率因素校正（ APFC）技術(shù) 對電壓跟隨器的研究方向是：采用軟開關(guān)技術(shù)、多導(dǎo)電模式和新的電路結(jié)構(gòu)來提高其性能和提高其動態(tài)響應(yīng)速度等。 統(tǒng)的用于電子設(shè)備前端的二極管整流器，作為一個諧波電流源，干擾電網(wǎng)線電壓，產(chǎn)生向四周輻 射和沿導(dǎo)線傳播的電磁干擾，導(dǎo)致電源的利用效率下降。近幾年來，為了符合國際電工委員會 6100032 的諧波準(zhǔn)則，功率因數(shù)校正電路正越來越引起人們的注意。 功率因數(shù)校正技術(shù)從早期的無源電路發(fā)展到現(xiàn)在的有源電路；從傳統(tǒng)的線性控制方法發(fā)展到非線性控制方法，新的拓?fù)浜图夹g(shù)不斷涌現(xiàn)。 功率因數(shù) (PF)的定義 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 17 功率因數(shù) (PF)是指交流輸入有功功率 (P)與輸入視在功率 (S)的比值。即 ?PF SP ? ?cos111rmsIV IV ?cos1rmsII ??cos? （ 1） 式 (1)中： 1I 為輸入基波電流有效值； rmsII1?? (2) ? 為輸入電流失真系數(shù)； Irms 為輸入電流有效值； cos? 為基波電壓與基波電流之間的相移因數(shù)。 可見 PF 由和 cos? 決定。 cos? 低，則表示用電電器設(shè)備的無功功率大，設(shè)備利用率低，導(dǎo)線、變壓器繞組損耗大。 ? 值低，則表示輸入電流諧波分量大，對電網(wǎng)造成污染，嚴(yán)重時，對 三相四線制供電還會造成中線電位偏移，致使用電電器設(shè)備損壞。由于常規(guī)整流裝置使用晶閘管或二極管，整流器件的導(dǎo)通角遠(yuǎn)小于 180176。，從而產(chǎn)生大量諧波電流成分，而諧波電流不做功，只有基波電流做功，功率因數(shù)很低。 功率因數(shù)校正 交流輸入電源經(jīng)整流和濾波后，非線性負(fù)載使得輸入電流波形畸變，輸入電流呈脈沖波形，含有大量的諧波分量，使得功率因數(shù)很低。由此帶來的問題是：諧波電流污染電網(wǎng)，干擾其他用電設(shè)備；在輸入功率一定的條件下，輸入電流較大，必須增大輸入斷路器和電源線的量；三相四線制供電時中線中的電流較大，由 于中線中無過流防護(hù)裝置，有可能過熱甚至著火。為此，沒有功率因數(shù)校正電路的開關(guān)電源被逐漸限制應(yīng)用。因此，開關(guān)電源必須減小諧波分量，提高功率因數(shù)。提高功率因數(shù)對于降低能源消耗，減小電源設(shè)備的體積和重量，縮小導(dǎo)線截面積，減弱電源設(shè)備對外輻射和傳導(dǎo)干擾都具有重大意義。所以，設(shè)有功率因數(shù)校正電路使功率因數(shù)近于 1 的開關(guān)電源得到迅速的發(fā)展。 功率因數(shù)校正，就是將畸變電流校正為正弦電流，并使之與電壓同相位，從而使功率因數(shù)接近于 1。 功率因數(shù)校正實現(xiàn)方法 由式 (1)可知，要提高功率因數(shù)有兩個途徑，即使輸入 電壓、輸入電流同相位；使輸入電流正弦化。 吳敏華：單相電壓型 PWM 整流 18 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，此時整流器的負(fù)載可等效為純電阻。 功率因數(shù)校正電路分為有源和無源兩類。無源校正電路通常由大容量的電感、電容組成。雖然無源功率因數(shù)校正電路得到的功率因數(shù)不如有源功率因數(shù)校正電路高，但仍然可以使功率因數(shù)提高到 o． 7~0． 8，因而在中小功率電源中被廣泛采用。有源功率因數(shù)校正電路自上世紀(jì) 90 年代以來得到了迅速推廣。它是在橋式整流器與輸出電容濾波器之間加入一個功率變換電路，使功率因數(shù)接近 1。有源功率因數(shù)校正電路工作于高頻開關(guān)狀態(tài)，體積小、重量輕，比無源功率因數(shù)校正電路效率高。本文主要討論有源功率因數(shù)校正方法。 有源功率因數(shù)校正方法分類 (1)按有源功率因數(shù)校正拓?fù)浞诸? 因噪聲大，濾波困難，功率開關(guān)管上電壓應(yīng)力大，控制驅(qū)動電平浮動，很少被采用。 ／降壓式 須用二個功率開關(guān)管，有一個功率開關(guān)管的驅(qū)動控制信號浮動，電路復(fù)雜，較少采用。 輸出與輸入隔離，輸出電壓可以任意選擇，采用簡單電壓型控制， 適用于 150W 以下功率的應(yīng)用場合。典型電路如圖 所示。 圖 反激式 變換器 (Boost) 簡單電流型控制，戶 F 值高，總諧波失真 (THD)小，效率高，但是輸出電壓高于輸入電壓。典型電路如圖 所示。適用于 75~2020W 功率范圍的應(yīng)用場合，應(yīng)用最為廣泛。它具有以下優(yōu)點：電路中的電感 L 適用于電流型控制；由于升壓型 APFC 的預(yù)調(diào)整作用在輸出電容器 C 上保持高電壓，所以電容器 C 體積小、儲能大；在整個交流輸入電壓變化范圍內(nèi)能保持很高的功率因數(shù)；當(dāng)輸入電流連續(xù)時，易于 EMI 濾波；升壓電感 L 能阻 止快速的電壓、電流瞬變，提高了電路工作可靠性。 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 19 圖 升壓式 變換器 (2)按輸入電流的控制原理分類 工作頻率固定，輸入電流連續(xù) (CCM)，波形圖如圖 (a)所示。 TI 公司的 UC3854 就工作在平均電流控制方式。 吳敏華：單相電壓型 PWM 整流 20 圖 電流波形 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 21 這種控制力式的優(yōu)點是：恒頻控制；工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)，開關(guān)管電流有效值小、EMI 濾波器體積??；能抑制開關(guān)噪聲；輸入電流波形失真小。 主要缺點是：控制電路復(fù)雜，須用乘法器和除法器，需檢測電感電流，需電流控制環(huán)路。 型 工作頻率可變，電流達(dá)到滯后帶內(nèi)發(fā)生功率開關(guān)通與斷操作，使輸入電流上升、下降。電流波形平均值取決于電感輸入電流，波形圖如圖 (b)所示。 工作頻率變化，電流不連續(xù) (DCM)，波形圖如圖 (c)所示。 DCM 采用跟隨器方法具有電路簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點，似存在以下缺點： PF 和輸入電壓 Vin 與輸出電壓 V0 的比值有關(guān)，即當(dāng) Vin變化吋， PF 值也將發(fā)生變化，同時輸入電流波形隨 Vin/Vo 的值的加大而使 THD 變大；開關(guān)管的峰值電流大 (在相同容量情況下， DCM 中通過開關(guān)器件的峰值電流 為 CCM 的 2 倍 )，從而導(dǎo)致開關(guān)管損耗增加。所以在大功率 APFC 電路中，常采用 CCM 方式。 工作頻率固定，電流不連續(xù)，采用固定占空比的方法，電流自動跟隨電壓。這種控制方法一般用在輸出功率比較小的場合，另外在單級功率因數(shù)校正中多采用這種方法，后面會介紹。波形圖如圖 (d)所示。 (3)其他控制方法 非線性載波控制 (NLC)不需要采樣電壓，內(nèi)部電路作為乘法器，即載波發(fā)生器為電流控制環(huán)產(chǎn)生時變參考信號。這種控制方法工作在 CCM 模式，可用于 Flyback,Cuk,Boost等拓?fù)渲校湔{(diào)制方式有脈沖前沿調(diào)制和脈沖后沿調(diào)制。 單周期控制原理圖如圖 所示，是一種非線性控制技術(shù)。該控制方法的突出特點是，無論是穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)，它都能保持受控量 (通常為斬波波形 )的平均值恰好等于或正比于給定值，即能在一個開關(guān)周期內(nèi)，有效地抑制電源側(cè)的擾動，既沒有穩(wěn)態(tài)誤差，也沒有暫態(tài)誤差，這種控制技術(shù)可廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的場合，不必考慮電流模式控制中的人為補(bǔ)償。 利用電流互感器檢測開關(guān)管的開通電流，并給檢測電容充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到控制電壓時 關(guān)閉開關(guān)管，并同時放掉檢測電容上的電壓，直到下一個時鐘脈沖到來使開關(guān)管再次開通，控制電壓與電網(wǎng)輸入電壓同相位，并按正弦規(guī)律變化。由于控制信號實際為開關(guān)電流在一個周期內(nèi)的總電荷，因此稱為電荷控制方式。 吳敏華：單相電壓型 PWM 整流 22 Tu 圖 單周期控制技術(shù) 功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展趨勢 目前研究的兩級功率因數(shù)校正，一般都是指 Boost PFC 前置級和后隨 DC／ DC 功率變換級。如圖 所示。對 Boost PFC 前置級研究的熱點有兩個，一是功率電路進(jìn)一步完善，二是控制簡單化。如果工作在 PWM 硬開關(guān)狀態(tài)下， MOSFET 的開通損耗和二極管的反向恢復(fù)損耗都會相當(dāng)大，因此，最大的問題是如何消除這兩個損耗，相應(yīng)就有許多關(guān)于軟開關(guān) Boost 變換器理論的研究，現(xiàn)在具有代表性的有兩種技術(shù)，一是有源軟開關(guān)，二是無源軟開關(guān)即無源無損吸收網(wǎng)絡(luò)。 圖 單級電路 有源軟開關(guān)采用附加的一些輔助開關(guān)管和一些無源的電感電容以及二極管，通過控制主開關(guān)管和輔助開關(guān)管導(dǎo)通時序來實現(xiàn) ZVS 或者 ZCS。比較成熟的有 ZVT—Boost， ZV華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 23 S—Boost， ZCS—Boost 電路等。雖然有源軟開關(guān)能有效地解決主開關(guān)管的軟開關(guān)問題，但輔助開關(guān)管往 往仍然是硬開關(guān)，仍然會產(chǎn)生很大損耗，再加上復(fù)雜的時序控制，使變換器的成本增加，可靠性降低。 無源無損吸收則是采用無源元件來減小 MOSFET 的 dv／ dt 和二極管的 dv／ dt，從而減小開通損耗和反向恢復(fù)損耗。它的成本低廉，不需要復(fù)雜的控制，可靠性較高。 除了軟開關(guān)的研究之外，另一個人們關(guān)心的研究方向是控制技術(shù)。曰前最為常用的控制方法是平均電流控制， CCM／ DCM 臨界控制和滯后控制 3 種方法。但是新的控制方法不斷出現(xiàn)，其中大部分是非線性控制方法，比如非線性載波技術(shù)和單周期控制技術(shù)。這些控制技術(shù)的主要優(yōu)點是使電路的復(fù) 雜程度大大降低，可靠性增強(qiáng)。現(xiàn)在商業(yè)化的非線性控制芯片有英飛凌公司的一種新的 CCM 的 PFC 控制器，被命名為 ICElPCSOI，是基于一種新的控制方案開發(fā)出來的。與傳統(tǒng)的 PFC 解決方案比較，這種新的集成芯片 (IC)無需直接來自交流電源的正弦波參考信號。該芯片采用了電流平均值控制方法，使得功率因數(shù)可以達(dá)到 1。另外，還有 IR 公司的 IRIS51XX 系列，基于單周期控制原理，不需要采集輸入電壓，外圍電路簡單。 提高功率因數(shù)的幾種方法 提高自然因數(shù)的方法： (1). 恰當(dāng)選擇電動機(jī)容量，減少電動機(jī)無功消 耗，防止 “大馬拉小車 ”。 (2). 對平均負(fù)荷小于其額定容量 40%左右的輕載電動機(jī)，可將線圈改為三角形接法（或自動轉(zhuǎn)換）。 (3). 避免電機(jī)或設(shè)備空載運(yùn)行。 (4). 合理配置變壓器，恰當(dāng)?shù)剡x擇其容量。 (5). 調(diào)整生產(chǎn)班次，均衡用電負(fù)荷，提高用電負(fù)荷率。 (6). 改善配電線路布局，避免曲折迂回等。 人工補(bǔ)償法： 實際中可使用電路電容器或調(diào)相機(jī)，一般多采用電力電容器補(bǔ)嘗無功，即：在感性負(fù)載上并聯(lián)電容器 ， 在感性負(fù)載上并聯(lián)電容器的方法可用電容器的無功功率來補(bǔ)償感性負(fù)載的無功功率，從而減少甚至消除 感性負(fù)載于電源之間原有的能量交換。在交流電路中，純電阻電路，負(fù)載中的電流與電壓同相位，純電感負(fù)載中的電流滯后于電壓 90186。，而純電容的電流則超前于電壓 90186。，電容中的電流與電感中的電流相差 180186。，能相互抵消。電力系統(tǒng)中的負(fù)載大部分是感性的，因此總電流將滯后電壓一個角度，如圖 1 所示，將并聯(lián)電容器與負(fù)載并聯(lián)，則電容器的電流將抵消一部分電感電流，從而使總電流減小，功率因數(shù)將提高。 提高功率因數(shù)的實際意義 對于電力系統(tǒng)中的供電部分 提供電能的發(fā)電機(jī)是按要求的額定電壓和額定電流設(shè)計的，發(fā)電機(jī)長期運(yùn)行 中，電壓和電流都不能超過額定值，否則會縮短其使用壽命，甚至損壞發(fā)電機(jī)。由于發(fā)電機(jī)是通過額定電流與額定電壓之積定額的，這意味著當(dāng)其接入負(fù)載為電阻時，理論上發(fā)電機(jī)得到完全的利用，因為 P=U*I*cos216。 中的 cos216。=1；但是當(dāng)負(fù)載為干性或容性時， cos216。1,發(fā)電機(jī)就得不到充分利用。為了最大程度利用發(fā)電機(jī)的容量，就必須提高其功率因數(shù)。 吳敏華：單相電壓型 PWM 整流 24 對于電力系統(tǒng)中的輸電部分 輸電線上的損耗： Pl=RI*I，負(fù)載吸收的平均功率： P.=V*I*cos216。 ，因為 I=P./V/ cos216。，所以 Pl=R*P./V/cos216。（ V 是負(fù)載端電壓的有效值）。 由以上式可以看出，在 V 和 P 都不變的情況下，提高功率因數(shù) cos216。 會降低輸電線上的功率損耗 . (1)提高用電質(zhì)量，改善設(shè)備運(yùn)行條件，可保證設(shè)備在正常條件下工作，這就有利于安全生產(chǎn)。 (2) 可節(jié)約電能，降低生產(chǎn)成本，減少企業(yè)的電費(fèi)開支。例如：當(dāng) cos216。= 時的損耗是cos216。=1 時的 4 倍。 (3) 能提高企業(yè)用電設(shè)備的利用率，充分發(fā)揮企業(yè)的設(shè)備潛力。 (4) 可減少線路的功率損失，提高電網(wǎng)輸電效率。 (5) 因發(fā)電機(jī)的發(fā)電容量的限定，故提高 cos216。 也就 使發(fā)電機(jī)能多出有功功率。在實際用電過程中，提高負(fù)載的功率因數(shù)是最有效地提高電力資源利用的方式。在現(xiàn)今可用資源接近匱乏的情況下，除了盡快開發(fā)新能源外，更好利用現(xiàn)有資源是我們解決燃眉之急的唯一辦法。而對于目前人類所大量使用和無比依賴的電能使用，功率因數(shù)將是重中之重。 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計 25 4 Matlab 仿真實驗 電路的工作原理 有源功率因素校正（ Active Power Factor Correction， APFC）電路。是指在傳統(tǒng)的不控整流中融入有源器件，使得交流側(cè)電流在一定程度上正弦化，從 而減小裝置的非線性，改變功率因數(shù)的一種高頻整流電路。 基本的單相 APFC 電路在單相橋式不可控整流器和負(fù)載電阻之間增加