【正文】 基本的單相 APFC 電路在單相橋式不可控整流器和負(fù)載電阻之間增加一個(gè)。 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 25 4 Matlab 仿真實(shí)驗(yàn) 電路的工作原理 有源功率因素校正（ Active Power Factor Correction， APFC）電路。在現(xiàn)今可用資源接近匱乏的情況下，除了盡快開(kāi)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。 也就 使發(fā)電機(jī)能多出有功功率。 (4) 可減少線(xiàn)路的功率損失，提高電網(wǎng)輸電效率。=1 時(shí)的 4 倍。例如：當(dāng) cos216。 會(huì)降低輸電線(xiàn)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)。（ V 是負(fù)載端電壓的有效值）。 ，因?yàn)?I=P./V/ cos216。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)。=1；但是當(dāng)負(fù)載為干性或容性時(shí)， cos216。由于發(fā)電機(jī)是通過(guò)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(shí)，理論上發(fā)電機(jī)得到完全的利用，因?yàn)?P=U*I*cos216。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(gè)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。電容中的電流與電感中的電流相差 180186。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。 (6). 改善配電線(xiàn)路布局，避免曲折迂回等。 (4). 合理配置變壓器，恰當(dāng)?shù)剡x擇其容量。 (2). 對(duì)平均負(fù)荷小于其額定容量 40%左右的輕載電動(dòng)機(jī)，可將線(xiàn)圈改為三角形接法（或自動(dòng)轉(zhuǎn)換）。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(jiǎn)單。與傳統(tǒng)的 PFC 解決方案比較，這種新的集成芯片 (IC)無(wú)需直接來(lái)自交流電源的正弦波參考信號(hào)。這些控制技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是使電路的復(fù) 雜程度大大降低，可靠性增強(qiáng)。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。它的成本低廉，不需要復(fù)雜的控制，可靠性較高。雖然有源軟開(kāi)關(guān)能有效地解決主開(kāi)關(guān)管的軟開(kāi)關(guān)問(wèn)題，但輔助開(kāi)關(guān)管往 往仍然是硬開(kāi)關(guān)，仍然會(huì)產(chǎn)生很大損耗，再加上復(fù)雜的時(shí)序控制，使變換器的成本增加，可靠性降低。 圖 單級(jí)電路 有源軟開(kāi)關(guān)采用附加的一些輔助開(kāi)關(guān)管和一些無(wú)源的電感電容以及二極管，通過(guò)控制主開(kāi)關(guān)管和輔助開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)序來(lái)實(shí)現(xiàn) ZVS 或者 ZCS。對(duì) Boost PFC 前置級(jí)研究的熱點(diǎn)有兩個(gè)，一是功率電路進(jìn)一步完善，二是控制簡(jiǎn)單化。 吳敏華：?jiǎn)蜗嚯妷盒?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(shì) 目前研究的兩級(jí)功率因數(shù)校正，一般都是指 Boost PFC 前置級(jí)和后隨 DC／ DC 功率變換級(jí)。 利用電流互感器檢測(cè)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通電流，并給檢測(cè)電容充電，當(dāng)充電電壓達(dá)到控制電壓時(shí) 關(guān)閉開(kāi)關(guān)管，并同時(shí)放掉檢測(cè)電容上的電壓，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來(lái)使開(kāi)關(guān)管再次開(kāi)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。 單周期控制原理圖如圖 所示，是一種非線(xiàn)性控制技術(shù)。 (3)其他控制方法 非線(xiàn)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(shí)變參考信號(hào)。這種控制方法一般用在輸出功率比較小的場(chǎng)合，另外在單級(jí)功率因數(shù)校正中多采用這種方法，后面會(huì)介紹。所以在大功率 APFC 電路中，常采用 CCM 方式。 工作頻率變化，電流不連續(xù) (DCM)，波形圖如圖 (c)所示。 型 工作頻率可變，電流達(dá)到滯后帶內(nèi)發(fā)生功率開(kāi)關(guān)通與斷操作，使輸入電流上升、下降。 吳敏華：?jiǎn)蜗嚯妷盒?PWM 整流 20 圖 電流波形 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 21 這種控制力式的優(yōu)點(diǎn)是：恒頻控制；工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管電流有效值小、EMI 濾波器體積??；能抑制開(kāi)關(guān)噪聲；輸入電流波形失真小。 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 19 圖 升壓式 變換器 (2)按輸入電流的控制原理分類(lèi) 工作頻率固定，輸入電流連續(xù) (CCM)，波形圖如圖 (a)所示。適用于 75~2020W 功率范圍的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)用最為廣泛。 圖 反激式 變換器 (Boost) 簡(jiǎn)單電流型控制，戶(hù) 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。 輸出與輸入隔離，輸出電壓可以任意選擇，采用簡(jiǎn)單電壓型控制， 適用于 150W 以下功率的應(yīng)用場(chǎng)合。 有源功率因數(shù)校正方法分類(lèi) (1)按有源功率因數(shù)校正拓?fù)浞诸?lèi) 因噪聲大，濾波困難，功率開(kāi)關(guān)管上電壓應(yīng)力大，控制驅(qū)動(dòng)電平浮動(dòng)，很少被采用。有源功率因數(shù)校正電路工作于高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，體積小、重量輕，比無(wú)源功率因數(shù)校正電路效率高。有源功率因數(shù)校正電路自上世紀(jì) 90 年代以來(lái)得到了迅速推廣。無(wú)源校正電路通常由大容量的電感、電容組成。 吳敏華：?jiǎn)蜗嚯妷盒?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(shí)整流器的負(fù)載可等效為純電阻。 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。提高功率因數(shù)對(duì)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(xiàn)截面積，減弱電源設(shè)備對(duì)外輻射和傳導(dǎo)干擾都具有重大意義。為此，沒(méi)有功率因數(shù)校正電路的開(kāi)關(guān)電源被逐漸限制應(yīng)用。 功率因數(shù)校正 交流輸入電源經(jīng)整流和濾波后，非線(xiàn)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。 cos? 低，則表示用電電器設(shè)備的無(wú)功功率大，設(shè)備利用率低，導(dǎo)線(xiàn)、變壓器繞組損耗大。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)。 功率因數(shù)校正技術(shù)從早期的無(wú)源電路發(fā)展到現(xiàn)在的有源電路；從傳統(tǒng)的線(xiàn)性控制方法發(fā)展到非線(xiàn)性控制方法，新的拓?fù)浜图夹g(shù)不斷涌現(xiàn)。 統(tǒng)的用于電子設(shè)備前端的二極管整流器，作為一個(gè)諧波電流源，干擾電網(wǎng)線(xiàn)電壓，產(chǎn)生向四周輻 射和沿導(dǎo)線(xiàn)傳播的電磁干擾，導(dǎo)致電源的利用效率下降。 電壓跟隨器有以下的缺點(diǎn)： ? 只適合 200W 以下功率容量； ? 輸入電流波形為脈動(dòng)三角波，因此其前端需加一個(gè)小濾波電容以消除高頻紋波； ? 具有較高的開(kāi)關(guān)峰值電流，這會(huì)帶來(lái)較大的開(kāi)關(guān)關(guān)斷損耗。與乘法器型 PFC 電路相比，電壓跟隨器 PFC 型電路可以直接采用常規(guī)的 PWM 調(diào)節(jié)老控制輸出電壓和同事獲得接近于 1 的輸入功率因素，因此控制電路簡(jiǎn)單，僅需要一個(gè)輸出電壓開(kāi)關(guān)控制開(kāi)關(guān)，現(xiàn)有的多數(shù)開(kāi)關(guān)電源 PWM 控制集成電路都可以用來(lái)作為電壓跟隨器輸出二極管反向恢復(fù)電流而帶來(lái)的問(wèn)題。由于電感電流 峰值基本上成正比于輸入電壓，因此，輸入電路波形將自然地跟隨輸入電壓波形。 基本的電壓跟隨器 Boost PFC 電路如圖 。 U低 通 濾 波器 V DC dLU r+ U d oI rS 乘 法 器R L 圖 典型的乘法器方式 PFC 電路 電壓跟隨器功率因素校正技術(shù)，為了研究適合 200W 以下小功率容量的 PFC 電路，20 世紀(jì) 80 年代末，由 Doc、 首先提出了利用不連續(xù)導(dǎo)電模式（ DCM） 進(jìn)行功率因素校正的概念，出現(xiàn)了功率因素電壓跟隨器 PFC 技術(shù)。其控制電路已有單片集成電路實(shí)現(xiàn)，如 MC34262,對(duì)這一類(lèi)功率因素校正電路的研究方向是研究新的主電路結(jié)構(gòu)和研究各種新的控制技術(shù)，如滑膜 (Sliding Mode)控制和單周期（ One Cycle）控制等。有關(guān)乘法器型PFC 技術(shù)的控制方式可以分為三種：即恒頻控制（ Constantfrequency Control）、恒誤差帶控制（ Constanttoleranceband Control）和變差帶控制（ Variabletoleranceband Control）。圖中 Boost 變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式（ CCM） ,其電感電流就是輸入電流。現(xiàn)有的功率因素校正技術(shù)給整流電路設(shè)備帶來(lái)的附加成本和氣復(fù)雜性，極大地限制著這一技術(shù)的廣泛應(yīng)用，因此降低成本、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)‘具有軟開(kāi)關(guān)性能’響應(yīng)速度快、低輸出紋波的單級(jí)隔離高功率因素是目前研究人員追求的目標(biāo)，可以相信，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率因素校正技術(shù)會(huì)越來(lái)越完善，應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， PFC 技術(shù)也在不斷的發(fā)展。 近幾年來(lái) ，又出現(xiàn)了一些新的功率因數(shù)校正技術(shù)得到了人們的認(rèn)可，如三電平 PFC 技術(shù)，磁放大器 PFC 和不連續(xù)電容電壓模式 PFC 技術(shù)等。而工作在 CCM 導(dǎo)電模式的乘法器 PFC 在電壓跟隨器 PFC 電路中，變換器工作在 DCM 模式中，因此由二極管反向恢復(fù)電流引起的開(kāi)光關(guān)斷損耗也較低。 單 相或 三相 整流 器P F C D C / D C單 相或 三相 輸入+P F C控 制 器D C / D C控 制 器U d o+U i ni i n a） 吳敏華：?jiǎn)蜗嚯妷盒?PWM 整流 14 單 相或 三相 整流 器單 相或 三相 輸入D C / D C 控 制 器U d o+U i ni i n P F C amp。這些變換器工作于不同導(dǎo)電模式時(shí)，其功率因素校正的機(jī)理也不相同。 從開(kāi)關(guān)型式來(lái)分， PFC 電路又可分為硬開(kāi)關(guān)電路和軟開(kāi)關(guān)電路（ ZCS 或 ZVS） 兩種類(lèi)型， 不管是單相 PFC或是三相 PFC電路，研究表明。單級(jí) PFC 主要分為 Boost和 BuckBoost， Boost 又分為兩端模式和三端模式。由于控制電路主要是用來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，因此輸入電流正弦化的程度就差，但電路要比兩級(jí)式簡(jiǎn)單很多。 DC/DC 級(jí)主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)。它們各自都有自己的開(kāi)關(guān)器件和控制電路。 電路 項(xiàng)目 電感輸入型 電容輸入型 電路 Boost Buck 電源 U I 儲(chǔ)能 L C 直流濾波 Cd Ld 輸出 Udo Id 開(kāi)關(guān)工 作方式 開(kāi)關(guān)管開(kāi)通 開(kāi)關(guān)管關(guān)斷 開(kāi)關(guān)管關(guān)斷 開(kāi)關(guān)管開(kāi)通 PWM 控制方式 CCM(電流滯環(huán) ) DCM(電感電流斷續(xù) ) CCM(電壓滯環(huán) ) DCM(電容電壓斷續(xù) ) 吳敏華：?jiǎn)蜗嚯妷盒?PWM 整流 12 UC dL+B o o s tP F C電 路乘 法 器控 制 器iU d oR L a） U+B o o s tP F C電 路乘 法 器控 制 器iU d oR LC dL b） 圖 電感輸入型與電容輸入型 PFC 電路 a） 電感輸入型 b）電容輸入型 技術(shù)分類(lèi)及研究方向 功率因素校正技術(shù)有很多分類(lèi)法，從市電電網(wǎng)輸入方式可以分為單項(xiàng) PFC 電路和三相華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 13 PFC 電路。仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，峰值電流模式對(duì)功率因素校正整流器的動(dòng)態(tài)性能有不利的影響，二平均電流模式則能成功地解決上述問(wèn)題。這種控制電感電流的方式就是通常所說(shuō)的“電路模式控制方式。 圖一給出了電感輸入型和電容輸入型 PFC 電路的對(duì)偶性對(duì)照表，以供參考 表一電感輸入型與電容輸入型 PFC 電路的對(duì)偶性對(duì)照 實(shí)際上，對(duì)于 Buck 有源校正電路的大量工作研究工作都是以電壓源輸入為目的，這是因?yàn)槭攀须婋娋W(wǎng)本身是一個(gè)電壓源，同時(shí)電壓型逆變器應(yīng)用也有比較多的原因。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、抗短路能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是電路復(fù)雜、電流 不連續(xù)、只能降壓不能升壓。所謂電感輸入型，就是用電感 L 作為輸入的電路，這類(lèi)電路的典型代表是 Boost 有源功率因素校正電路，它主要用于電壓型逆變器。 UR L低 通 濾 波器 C dU r+ 乘 法 器內(nèi) 環(huán)外 環(huán)B u c kB o o s tB u c k B o o s tC u kS e p i cZ e a 圖 乘法器控制的 PFC 原理框圖 華東交通大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) 11 Boost PFC 電路與 Buck 電路的