新型三相單開(kāi)關(guān)功率因數(shù)校正器的研究

周倩倩，張波濤，劉振興*

（1.武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430081；2.武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢430081）

新型三相單開(kāi)關(guān)功率因數(shù)校正器的研究

周倩倩1，張波濤2，劉振興1*

（1.武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，武漢430081；2.武漢科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，武漢430081）

為解決傳統(tǒng)三相單開(kāi)關(guān)功率因數(shù)校正器輸入電流諧波較大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的三相單開(kāi)關(guān)升壓型PFC（Power Factor Correction）電路。通過(guò)在Boost電感和整流橋之間插入合適電容構(gòu)成二階濾波器，雖然控制算法不變，但可以在保證功率因數(shù)不變的前提下優(yōu)化輸入電流THD（Total Harmonic Distortion）。基于對(duì)電路原理的簡(jiǎn)要分析，建立MATLAB仿真模型，再以TMS320F28335為控制核心，搭建Boost PFC變換器的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。仿真和實(shí)驗(yàn)均表明該方案可行，實(shí)驗(yàn)電路測(cè)試的輸入電流THD值小于10%，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

功率因數(shù)校正；單開(kāi)關(guān)Boost變換器；二階濾波；THD優(yōu)化

傳統(tǒng)的AC-DC電力電子變換器一般由二極管或晶閘管組成的整流電路構(gòu)成，工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的電力諧波，給電網(wǎng)造成諧波污染及能量浪費(fèi)。有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)，亦即主動(dòng)式功率因數(shù)校正，采用高頻開(kāi)關(guān)工作模式，可以減小電流諧波，提高功率因數(shù)［1］。與無(wú)源方式相比，它具有體積小、重量輕、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。為保證電網(wǎng)安全、有效、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，三相有源功率因數(shù)校正技術(shù)將獲得更加廣泛的應(yīng)用，也逐漸成為電力電子方向的研究熱點(diǎn)。

三相有源功率因數(shù)校正電路有多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方法［2-6］。三相六開(kāi)關(guān)Boost型PFC變換器可以實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)，輸入電流諧波很小。缺點(diǎn)是使用開(kāi)關(guān)數(shù)量較多，控制復(fù)雜，特別適合于大功率場(chǎng)合［3］。

DCM型APFC電路能對(duì)輸入電流自動(dòng)整形，有自然的零開(kāi)通特性［7］，所需電感值較小，控制簡(jiǎn)單，但其諧波含量高，功率因數(shù)低的弊端卻阻礙了它進(jìn)一步發(fā)展。三相單開(kāi)關(guān)boost型APFC電路必須工作在電感斷續(xù)模式，文獻(xiàn)［8］采用諧波注入法調(diào)制變換器開(kāi)關(guān)的占空比，但注入的諧波信號(hào)與輸入電流諧波存在一定的相位差，會(huì)影響抑制電流諧波效果。文獻(xiàn)［9］提出一種新型的變開(kāi)關(guān)頻率控制方法降低輸入諧波，但EMI濾波器的設(shè)計(jì)較復(fù)雜。

收稿日期：2015-06-25修改日期：2015-08-20

此外，Boost電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于控制實(shí)現(xiàn)，但開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷并非理想狀態(tài)，隨著工作頻率的提高，開(kāi)關(guān)損耗也會(huì)增大。文獻(xiàn)［10-12］利用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)主、輔開(kāi)關(guān)管的零電壓零電流開(kāi)關(guān)，降低開(kāi)關(guān)損耗。本文以三相單開(kāi)關(guān)Boost電路為研究對(duì)象，基于LC諧振電路的三相整流器［13］，提出了一種新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以大大降低輸入電流諧波，克服傳統(tǒng)單開(kāi)關(guān)Boost變換器的不足。

1　電路拓?fù)浼霸矸治?/h2>

1.1主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

本文研究的三相單開(kāi)關(guān)Boost型功率因數(shù)校正器的主電路如圖1所示。其中，La、Lb、Lc均為儲(chǔ)能電感且相等，三相電容Ca、Cb、Cc用于無(wú)功補(bǔ)償，且與升壓電感構(gòu)成二階濾波器。V為單管控制開(kāi)關(guān)，工作于PWM方式，處于零電流開(kāi)通狀態(tài)，且不承受二極管的反向恢復(fù)電流，開(kāi)關(guān)損耗小。Cd是直流濾波電容，使工頻周期內(nèi)輸出電壓基本保持不變。該Boost型APFC電路工作模式為斷續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）［14］，輸入電感電流峰值基本與輸入電壓成正比，因此，輸入電流波形自然地跟隨輸入電壓波形，輸入功率因數(shù)高。該電路所需要的電感值較小，控制電路也相對(duì)簡(jiǎn)單，可以滿足中小型功率開(kāi)關(guān)電源低成本的需求。

圖1　主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.2.工作原理

假設(shè)輸入電壓為對(duì)稱(chēng)平衡無(wú)失真的正弦波，則

其中，Um和ω分別是輸入電壓幅值及角頻率。

這里，以A相為例分析該電路原理，其等效電路如圖2所示。為便于分析各個(gè)工作模態(tài)，需作出如下假設(shè)：全部電感、電容、二極管和開(kāi)關(guān)管均為理想器件；開(kāi)關(guān)頻率必須遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率，以保證在開(kāi)關(guān)管V的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)輸入電壓恒定不變，這樣Boost電路才能成立。電路主要有如下3種工作模式。

（1）t=t0時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管V開(kāi)通，輸入電容開(kāi)始充電，升壓電感La處于儲(chǔ)能狀態(tài)。Ca兩端的電壓線性上升，充電結(jié)束時(shí)，Ca的峰值電壓正比于電源電壓。電容Cd儲(chǔ)存的能量向負(fù)載傳送。

（2）開(kāi)關(guān)管V關(guān)斷后，由于電感電流不能突變，續(xù)流二極管導(dǎo)通。輸入電容放電，升壓電感La和電源一起供電給負(fù)載，Cd處于充電狀態(tài)。

（3）t=toff1時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管仍關(guān)斷。輸入電容的放電過(guò)程結(jié)束。電感La和負(fù)載一起傳輸能量給負(fù)載。其中，圖3為電容Ca的電壓波形。

圖2　A相等效電路圖

圖3　電容Ca的電壓波形

2　系統(tǒng)建模及仿真

2.1主電路仿真

本文仿真模型是在Matlab/Simulink模塊中搭建的，方便實(shí)用，精度較高，不需要再單獨(dú)建立各模塊的模型，可以快速驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性和控制算法的有效性。在Matlab/Simulink環(huán)境下，PowerGUI是一個(gè)用于分析電源系統(tǒng)模型的有效圖形用戶界面接口，其FFT工具可用于分析輸入電流諧波。電路仿真參數(shù)如表1所示。

表1　電路仿真參數(shù)

2.2主要參數(shù)計(jì)算

該系統(tǒng)為保證較高的功率因數(shù)，降低輸入側(cè)三相電流諧波，輸入儲(chǔ)能電感及濾波電容的選擇必須滿足系統(tǒng)各方面要求。此外，由于本電路采用恒定開(kāi)關(guān)頻率fs、導(dǎo)通時(shí)間Ton不變的PWM控制，為消除低頻紋波，直流濾波電容必須足夠大，穩(wěn)定輸出電壓。

2.2.1升壓電感的選擇

額定輸入電壓升壓比

對(duì)于電流不連續(xù)工作模式DCM，開(kāi)關(guān)管V的導(dǎo)通時(shí)間應(yīng)滿足［15］，

在設(shè)計(jì)時(shí)要留有充分余地，可取最大值的80%，則

直流輸出電流

圖4　M與L（/Um2Ts/P0）的關(guān)系曲線

2.2.2電容的選擇

該系統(tǒng)利用三相濾波電容與升壓電感構(gòu)成LC濾波器，且諧振點(diǎn)正好在開(kāi)關(guān)頻率附近，從而使諧振時(shí)整流橋后部分電路造成短路，以避免諧波折回電網(wǎng)。這里取諧振頻率f=13 kHz，

由此得出

其中L=0.039 mH，則C=Ca=Cb=Cc=4 μF。

2.3仿真結(jié)果

由于電路采用三相對(duì)稱(chēng)輸入電壓，這里可取A相電壓電流進(jìn)行分析。未加電容時(shí)，濾波后A相輸入電流與電壓波形如圖5所示。加入電容電路改善后，圖6為濾波后A相輸入電流與電壓波形。其中，實(shí)線為電流波形，虛線為電壓波形。可以看出，輸入電流的峰值包絡(luò)線與電壓波形相同，相位上一致并跟蹤輸入電壓，與理論分析結(jié)果基本一致。

為方便分析，表2列出了主要諧波含量。可以看出，電流中主要有5次、7次諧波，其中，5次諧波含量最多，并決定了電流的THD。在加入電容后，5次諧波大大降低，雖然輸入電流7次諧波有所增加，但總諧波得到明顯改善。

圖5　加電容輸入電流與電壓波形

圖6　電容輸入電流與電壓波形

表2　電流諧波含量（仿真）

該電路輸出直流電壓波形如圖7所示，通過(guò)大電容濾波，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后，可實(shí)現(xiàn)輸出120 V穩(wěn)定直流電壓。

圖7　輸出直流電壓（仿真）

3　實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證本文提出的新型三相單開(kāi)關(guān)BOOST 型APFC電路的優(yōu)越性，利用實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有裝置進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的控制方案和驅(qū)動(dòng)電路。其主要參數(shù)為，調(diào)壓器輸入交流電壓32 V/50 Hz，開(kāi)關(guān)頻率15 kHz，直流輸出電壓120 V，輸出功率533 W。

3.1輸入電流波形

圖8～圖9分別為未加電容和加電容改善后的輸入電流實(shí)驗(yàn)波形。顯而易見(jiàn)，未加電容時(shí)，電流波形存在一個(gè)缺口，這正是五次諧波電流含量高造成的。采用新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電路后，輸入電流更接近正弦，THD也得到提高。表3列出了實(shí)驗(yàn)電流THD值及各次諧波含量百分比。

圖8　實(shí)驗(yàn)電流波形（未加電容）

圖9　實(shí)驗(yàn)電流波形（加電容）

表3　實(shí)驗(yàn)電流諧波含量

3.2輸出電壓波形

圖10給出了最后輸出直流電壓波形，與仿真結(jié)果一致，基本實(shí)現(xiàn)120 V直流電壓。

圖10　實(shí)驗(yàn)輸出直流電壓波形

3.3實(shí)驗(yàn)裝置圖

作者設(shè)計(jì)的新型三相單開(kāi)關(guān)實(shí)驗(yàn)裝置如圖11所示。

圖11　實(shí)驗(yàn)裝置圖

4　結(jié)術(shù)語(yǔ)

本文提出了一種新型三相單開(kāi)關(guān)功率因數(shù)校正器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并從建模仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證兩方面都體現(xiàn)了該電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的有效性和可行性，不僅可以降低輸入側(cè)電流諧波，還能穩(wěn)定輸出紋波較小的直流電壓。由于該變換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、功率因數(shù)較好、實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等顯著優(yōu)點(diǎn)，在中小型功率應(yīng)用領(lǐng)域有良好的應(yīng)用前景。

［1］ 涂永飛.三相有源功率因數(shù)校正研究［D］.南京：南京理工大學(xué)，2007. Xu Yongfei.Research of Three-Phase Active Power Factor Correction［D］.Nanjing：Nanjing University of Science and Technology，2007.

［2］ 劉小剛，彭衛(wèi)東，張鵬飛.大功率三相APFC技術(shù)研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)［J］.電子技術(shù)，2010，47（9）：14-16. Liu Xiaogang，Peng Weidong，Zhang Pengfei.Present Status and Trends of High-Power Three-Phase APFC Technology［J］.Electronic Technology，2010，47（9）：14-16.

［3］ 于相旭，侯振程.三相功率因數(shù)校正技術(shù)（PFC）綜述［J］.電工技術(shù)雜志，2000（3）：1-3. Yu Xiangxu，Hou Zhencheng.The Status of Three-Phase Power Factor Correction（PFC）［J］.Electrotechnical Journal，2000（3）：1-3.

［4］ Gao Xiaoqian.A study of Three-Phase APFC Based on Quadratic Buck Converter［J］.IEEE ISGT Asia，2012：1-4.

［5］ Gensior A；Sira-Ramirez H；Rudolph J.On Some Nonlinear Current Controllers for Three-Phase Boost Rectifiers［J］.IEEE Industrial Electronics，2009，56（2）：360-370.

［6］ 賁洪奇，金祖敏.一種新型零電流零電壓開(kāi)關(guān)功率因數(shù)校正全橋變換器［J］.中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2004，24（6）：162-166.Ben Hongqi，Jin Zumin.A Novel Zero-Current and Zero-Voltage-Switching Full-Bridge Converter with Power Factor Correction［J］. Proceedings of the CSEE，2004，24（6）：162-166.

［7］ 程為彬，魯曄，郭穎娜.APFC電路斷續(xù)電流模式的諧波分析與補(bǔ)償［J］.電力電子技術(shù)，2009，43（5）：15-16. Cheng Weibin，Lu Ye，Guo Yingna.Harmonics Analysis and Compensation in DCM APFC Circuit［J］.Power Electronics，2009，43 （5）：15-16.

［8］ Huang Qihong.Harmonic Reduction in a Single-Switch，Three-Phase Boost Rectifier with High Order Harmonic Injected PWM ［J］.IEEE Power Electronics Specialists Conference，1996，（2）：1266-1271.

［9］ 蔡昆，徐鎮(zhèn)琳.一種新型的變開(kāi)關(guān)頻率控制的三相單開(kāi)關(guān)升壓型有源功率因數(shù)校正器［J］.電氣自動(dòng)化，2002，24（5）：27-30. Cai Kun，Xu Zhenlin.A Novel Control Mode of Single-Switch Three-Phase Power Factor Corrector under Variable Switching Frequency［J］.Electrical Automation，2002，24（5）：27-30.

［10］謝少軍，李飛.軟開(kāi)關(guān)隔離型Boost變換器研究［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20（8）：48-54. Xie Shaojun，Li Fei.Research on a Soft Switching Isolated Boost Converter［J］.Transactions of China Electrotechnical Society，2005，20（8）：48-54.

［11］付光杰，冉璇，邢建華.基于軟開(kāi)關(guān)的boost變換器的研究［J］.電力電子技術(shù)，2010，44（10）：57-58. Fu Guangjie，Ran Xuan.Optimal Research of a Boost Converter Based on Soft Switching［J］.Power Electronics，2010，44（10）：57-58.

［12］曾怡達(dá)，楊岳毅，王寅浩.改進(jìn)型無(wú)橋Boost PFC軟開(kāi)關(guān)技術(shù)的研究［J］.電子器件，2012，35（4）：421-426. Zeng Yida，Yang Yueyi，Wang Yinhao.Research on an Improved Bridgeless Boost Power Factor Correction Soft-Switching Technology［J］.Chinese Journal of Electron Devices，2012，35（4）：421-426.

［13］邱巖，朱銀玉，陳仲.一種新型高功率因數(shù)三相整流器的分析與設(shè)計(jì)［J］.電力電子技術(shù)，2009，43（1）：5-6. Qiu Yan，Zhu Yinyu，Chen Zhong.Design of a Novel High-Power-Factor Three-Phase Rectifier［J］.Power Electronics，2009，47 （7）：5-6.

［14］潘飛蹊，涂祺鎧，梁昆凱.一種Boost型PFC電路在DCM下的恒頻控制方案［J］.電子器件，2011，34（4）：453-458. Pan Feixi，Tu Qikai，Liang Kunkai.A Control Method for Boost PFC Regulator Operating in DCM with Constant Switching Frequency［J］.Chinese Journal of Electron Devices，2011，34（4）：453-458.

［15］劉鳳君.逆變器用整流電源［M］.第1版.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004：267-268. Liu Fengjun.Rectifier Power Supply used for Inverter（first edition）［M］.Beijing：China Machine Press，2004：267-268.

周倩倩（1992-），女，漢族，湖北荊州人，碩士研究生，武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，主要研究方向?yàn)榭刂评碚摷皯?yīng)用，開(kāi)關(guān)電源及功率因數(shù)校正技術(shù)，757493412@qq.com；

劉振興（1965-），男，漢族，湖北武漢人，教授，現(xiàn)于武漢科技大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院任教，主要研究方向?yàn)榭刂评碚摷皯?yīng)用，新型電力傳動(dòng)系統(tǒng)，故障診斷技術(shù)與應(yīng)用，信號(hào)與信息處理，zhenxingliu@wust.edu.cn。

Research on a Novel Type of Three-Phase Single Switch Power Factor Corrector

ZHOU Qianqian1，ZHANG Botao2，LIU Zhenxing1*
（1.School of Information Science and Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2.Computer Science&Technology Institute，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

In order to solve the problem of high input current harmonic in conventional three-phase single-switch power factor corrector（PFC），a novel topological structure of three-phase single switch boost PFC circuit is proposed.Appropriate capacitor is inserted between boost inductor and rectifier bridge which can constitute second-order filter，although the control algorithm remains unchanged，it can optimize the input current THD（Total Harmonic Distortion）with high power factor.Initially，based on a brief analysis on the circuit principle，MATLAB Simulink model is built.Then the Boost PFC converter experiment platform is set up with the DSP TMS320F28335.Finally，the simulation and experimental results show that the design scheme is feasible，the measurement of the experimental circuit achieves that the THD is less than 10%，and this converter is proved valuable.

power factor correction；single-switch Boost converter；second-order filter；THD optimizer control

TM46

A

1005-9490（2016）03-0709-05

EEACC：815010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.040