APFC

BOOST有源功率因数校正学生：何安然学号：TSP080301021Q学院：机电学院1、概述从电网获取交流电经整流为各种电气设备提供直流电是一种常用的变流方案。但整流装置、电感、电容组成的滤波器中非线性元件和储能元件的存在使输入交流电流波形发生严重畸变，呈尖峰脉冲状，网侧输入功率因数降低。电网电流的畸变由于电网阻抗反过来影响电网电压，造成谐波污染。谐波的存在使电网中元件产生附加损耗，会降低用电设备的效率;会影响电器设备的正常工作及其寿命:会导致继电保护和自动装置误动作，并使电器测量仪表计量不准确;会降低电网功率因数等系列危害。由于电力电子装置是现在最主要的谐波污染源，这己经阻碍了电力电子技术的发展，它迫使电力电子领域的研究人员对谐波的污染问题要给出有效的解决方案。为了解决电力电子装置的谐波污染问题，基本思路有两条:一是装设谐波补偿装置来补偿谐波;另一条是对电力电子装置本身进行改造，提高输入端的功率因数。对于新型的电力电子设备，多采用后一种思路，即加入功率因数校正器，它的原理就是在整流器与负载直接接入DC-DC开关变换器，应用电流反馈技术，使得输入端电流的波形跟踪交流输入正弦电压波形，可使得输入端电流接近正弦波，从而使得输入端的谐波畸变率THD小，功率因数提高。功率因数是电源对电网供电质量的一个重要的指标。许多发达国家率先采用了多种功率因数校正(PFC)方法，来实现“绿色能源”革命，并强制推行了国际标准IEC555-2、EN60555-2等，限制了电子生产厂家入网电气设备的电流谐波值。目前，有源功率因数校正(APFC)技术是解决谐波污染最有效的方法之一。采用PWM控制方式的整流器，能得到较好的单位功率因数，减少线电流畸变，实现能量的双向传输，是实现电力电子装置功率因数校正和谐波抑制的理想整流器。近年来，谐波污染的加重和相关谐波标准的制定和强制执行，为PWM整流器的研究和发展注入了动力。全控型电力电子器件的成熟和大容量化也为大功率PWM整流器的研制奠定了坚实的物质基础。从原理上说，任何一种DC/DC变换器拓扑都可用作PFC的主电路。但是由于Boost变换器的特殊优点，应用于PFC更为广泛。Boost有源功率因数校正器的主要优点归纳如下:1)有输入电感，可减少对输入滤波器的要求，并可防止电网对主电路高频瞬态冲击;2)输出电压大于输入电压峰值。如输入90至132V交流，输出直流电压约为200V;若输入为95至240V交流，直流输出将约为400V;3)开关器件的电压应力最大为输出电压值;4)容易驱动功率开关，开关源极的电位为0V;5)在国际标准规定的输入电压和频率广泛变化范围内可保持正常工作。Boost有源功率因数校正器的主要缺点有:1)输出和输入间无绝缘隔离;2)输入电压峰值大于输出电压时，电路易失控。所以启动时需注意。3)在开关管、二极管和输出电容形成的回路中若有杂散电感，则在25-100kHz的PWM频率下，容易产生危险的过电压，对开关管的安全运行不利。所以，本文对千瓦级的Boost功率因数校正器的拓扑和控制方法进行研究和分析，以期对Boost功率因数校正电路有着深入的了解。2、有源功率因数校正(APFC)2.1、AC-DC电路输入功率因数的定义及其与谐波的关系线性电路的功率因数习惯上用cosψ表示，ψ为正弦电压与正萝电流的相位差。由于整流电路中二极管的非线性，虽然输入电压为正弦，但电流却为严重非正弦(如图2.1所示整流滤波电路与其输入电压电流波形)，因此线性电路的功率因数计算不再适用于AC-DC变流电路，这里功率因数用PF(PowerFactor)表示。图2.1整流滤波电路和输入电压和电流波形由图可知，整流滤波电路的输入电流和电压不同相位，而且输入电流发生了严重的畸变，对畸变电流进行傅式分解，则会发现其基波分量较低，定义视在功率和输入功率的比值位功率因数，即：PF=P/（V*I）（2.1）而P=V*I*cosψ（2.2）由式2.2可知ψ越小，即基波电压和基波电流的相位差越小，则输入功率越大，其功率因数也相应较大，对于电网的负荷和影像也越低。2.1.2APFC的基本原理有源功率因数校正器(APFC)的基本电路由两部分组成:主电路和控制电路。以Boost型PFC电路为例来说明功率因数校正电路的基本原理，图2.2所示为一个Boost有源功率因数校正器的原理图。主电路由单相桥式整流器和DC-DC变换器组成，控制电路包括基准电压ref及电压误差放大器VA，乘法器M，电流误差放大器CA，脉宽调制器和驱动器等组成，负载可以是一个开关电源。图2.2Boost有源功率因数校正原理图PFC的工作原理如下:主电路的输出电压与基准电压值比较后，输入给电压误差放大器，电压误差放大器的输出和整流后的输入电压共同加到乘法器中，乘法器的输出作为电流反馈控制的基准值，与检测到的输入电流信号进行比较后，输入到电流误差放大器并加到PWM及驱动器，来控制开关管的通断，从而使输入电流(及电感电流)与整流输入电压波形基本同相，使电流谐波大为减少，提高了输入端功率因数，同时保持输出电压稳定。2.3APFC控制方案在实际应用中，针对不同的APFC主功率变换结构采用不同的控制方法。但无论采用哪一种结构，从实现PFC的目的来看，所需要控制的变量都有两个:(1)输出电压，必须保证输出电压是一个伍似)恒定的直流电压。(2)输入电流，必须控制输入电流跟踪输入电压，使之与输入电压同频同相，保证输入端口针对交流电网呈现“纯阻性”因此，APFC电路在通常情况下需要用电压-电流的双环反馈来控制，这在一定的程度上会使PFC电路显得较为复杂。由于Boost变换器具有控制容易，输入电流可以连续且纹波电流较小等诸多优点，因而得到了广泛的应用，为了方便叙述，这里主要用Boost变换器作为描述和分析的对象。有源功率因数校正的控制方法必须以稳压输出和单位输入功率因数为目标。为了达到以上目标，目前众多学者提出了多种不同的控制方案，以满足不同性质的整流器和不同应用场合的需要。根据电感电流是否连续，APFC可分为不连续导电模式DCM和连续导电模式CCM两种控制，在CCM下用乘法器实现PFC，而在DCM下，则可用电压跟随器方法实现PFC。其中，在CCM模式控制中，根据是否选取瞬态电感电流作为反馈量和被控制量，又可分为间接电流控制和直接电流控制两大类:引入电流反馈的称为直接电流控制，没有引入电流反馈的称为间接电流控制。2.3.1不连续导电控制模式(DCM)DCM控制模式又称为电压跟踪控制方式，主要有恒频、变频方式等，它是APFC控制中简单而实用的一种控制方式，应用较广。为了获得理想的稳压输出，需要输出电压闭环反馈控制环节，开关由输出电压误差信号控制。在一个开关周期电感电流的平均值正比于输入电压，因此输入电流波形自然跟踪输入电压波形。DCM的控制方式又可两种控制方式：恒频控制和变频控制，DCM控制模式的优点是:（1）电路简单，不需要乘法器;（2）输入电流自动跟踪输入电压;（3）功率管实现零电流开通且不承受二极管的反向恢复电流。其缺点是:（1）电感电流不连续，造成电流纹波较大，对滤波电路要求高;（2）输出含有二次谐波，功率器件承受较大的电流应力。（3）单相PFC功率一般小于200W。2.3.2连续导电控制模式(CCM)连续导电控制可分为间接电流控制和直接电流控制两种模式。（1）间接电流控制间接电流控制又称为相位幅值控制，是一种基于工频稳态的控制方法，它通过控制整流器输入端电压，使其与电源电压保持一定的相位和幅值关系，从而控制交流输入电流呈正弦波形，并与交流输入电压保持同相位，使装置运行在单位功率因数状态。其优点是结构简单，开关机理清晰。它的缺点是:①自身无限流功能，需另外加过流保护电路;②系统从一稳态到另一稳态过渡时电流会出现直流分量;③系统动态响应慢。（2）直接电流控制直接电流控制其结构中含有乘法器，所以也叫乘法器控制是目前应用最多的一种控制方式.其基本思想是将输入整流电压信号与输出电压信号送入乘法器，乘法器的输出信号作为电流控制器的电流给定信号，电流控制器控制输入电流按给定信号变化。它的缺点是电路较复杂，有时需电流环补偿网络;输出具有二次谐波，动态响应慢;乘法器的非线性失真也增加了输入电流的谐波含量.由于输入电流总带有一些开关频率纹波，因此必须决定反馈哪一个电流，由此产生了峰值电流控制、滞环电流控制和平均电流控制三种控制方式，这也是APFC常用的三种控制方法。表2.1给出了这三种方法的基本特点。表2.1三种常用PFC控制方法控制方法检测电流开关频率工作模式对噪声拓扑扩展其他电流峰值开关电流恒频CCM敏感Boost斜率补偿电流滞环电感电流变频CCM敏感Boost逻辑控制平均电流电感电流恒频CCM+DCM不敏感任意电流放大3、基于PSIM仿真电路的设计该电路设计是基于Boost升压变换电路在平均电流控制模式下的设计，主要技术参数如下：（1）输入电压：AC220V，50Hz（2）储能电感：1mH（3）稳压电容：4700uF（4）输出电压:DC400V，16A（5）开关频率：50K仿真电路图如下：图3.1Boost功率因数校正主电路图3.2Boost功率因数校正电路输入电压和电流波形图3.3Boost功率因数校正电路输出电压波形因此，通过对比Boost功率因数校正后的输入电压和输入电流波形图，可以知道Boost功率因数校正电路实现了输入电压和输入电流的同相位，可以很大程度上提高功率因数，对电网的影像较小，实现“绿色能源”的要求。未经PFC时系统网侧输入电压和输入电流波形，很显然，其输入电流发生严重畸变，呈窄脉冲状，电流的畸变由于电网阻抗反过来影响电网电压，造成总谐波畸变增大，输入功率因数低。可以看出，与图3.2系统加PFC电路时相比，网侧输入电流由窄脉冲波形变成严格的正弦电流波形，且与输入电压同相位。4、结论电力电子装置输入端功率因数和谐波污染对电网的影响以成为一个日益突出的问题。对于电力电子装置的研究和设计，从开始单纯考虑系统的输出特性，己经越来越多的把注意力集中到系统的整体运行特性。作为系统的设计者，.不仅仅要考虑装置的输出电压，电流特性和对负载的适应性，同时还要兼顾装置的输入端特性，以减小它对电网的影响。对于绝大部分电力电子装置，尤其是那些具有整流前端的设备，它们对电网的影响主要表现为谐波污染和低输入端功率因数.为了改善输入端功率因数低、谐波严重等问题，从不同角度提出了种种解决方案，其中，有源功率因数校正是一种有效的解决方法。有源功率因数校正技术始于八十年代，到了九十年代，出现了有源功率因数校正热，有关研究成果和文献不断出现。有关有源功率因数校正的研究论文已经很多很成熟了，但是对于初涉电力电行业的我来说，这方面的知识更是不可或缺，通过对Boost功率因数校正电路的仿真设计，使我对Boost功率因数校正电路的工作状态和工作模式有了一定的了解，同时也对各种功率因数校正电路有了一定的初步认识，使我受益匪浅。