基于Saber的功率因數校正電路仿真分析

周　凱， 石　增， 金寧治

(哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

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基于Saber的功率因數校正電路仿真分析

周凱， 石增， 金寧治

(哈爾濱理工大學 電氣與電子工程學院，黑龍江 哈爾濱 150080)

介紹了一種有源功率因數校正電路。在傳統不可控整流電路的基礎上增加外圍輔助電路，并以UC3854為核心部件控制功率元件的通斷，使輸入電流波形跟隨輸入電壓波形。通過仿真波形分析及公式計算可知，功率因數校正技術能夠使輸入電流波形始終保持為正弦波，其相位能夠與輸入電壓波形保持同步，輸出端直流電壓波形也較為平滑，是提高電路功率因數的一種有效手段。

功率因數校正；電路仿真分析；整流電路；Saber

功率因數是衡量電源效率的重要技術指標。功率因數較低，說明電路中存在大量的無功功率。功率因數降低帶來的問題是：(1)諧波電流污染電網，干擾其他用電設備；(2)在輸入功率一定的條件下，輸入電流較大；(3)三相四線制供電時中線的電流較大，由于中線中無過流防護裝置，會存在很大的安全隱患；(4)電網內無功功率的增加會造成線路損耗增大，同時增加了配電設備的成本[1-2]。因此，開關電源的設計必須將功率因數控制在合理的范圍內，這不但有利于降低諧波分量，還可以減少能源浪費，供電設備也會趨于輕量化。功率因數校正技術可使整流電路的功率因數近于1，采用此技術的開關電源能夠得到迅速的發展[3-4]。

功率因數校正，就是將傳統整流電路中非正弦的輸入電流波形校正為正弦波形，并且在相位關系上能夠始終跟隨輸入電壓，從而大幅提高電力系統的功率因數。

1　功率因數的定義

功率因數是有功功率與視在功率的比值，它是電力系統中的重要參數，能夠表示電能的利用率，電能的利用率與功率因數呈正比例關系。

在正弦電路功率因數的計算中，輸入電流與電壓的相位關系具有決定性作用。若輸入電流與電壓相位相差φ，則功率因數就可以用cosφ表述。對于非正弦電路如公共電網，電壓為純正弦波形，而電流波形畸變較大，因此，功率因數λ定義為：

(1)

式中： P為有功功率；

S為視在功率；

U為輸入電壓的有效值；

I1為基波電流的有效值；

I為畸變電流的有效值；

γ為畸變因子；

cosφ為基波電壓與基波電流間的相移因數。

由式(1)可知，在非正弦電路中，功率因數λ受到兩個參數的影響：若γ較小，則輸入電流存在大量諧波，輸入電流發生嚴重畸變，此時基本為窄脈沖形式，電網會受其影響，嚴重時會導致負載損毀；若cosφ較小，說明電路中存在無功能量，此時電能利用率明顯降低[5-6]。

電壓諧波總畸變率THDu和電流諧波總畸變率THDi分別定義為：

(2)

(3)

式中：Uh為總諧波電壓有效值；

U1為基波電壓有效值；

Ih為總諧波電流有效值；

I1為基波電流有效值。

2　未采取功率因數校正的電路仿真及參數分析

電容濾波單相不可控整流電路使用廣泛，經常作為小功率用電設備的輸入電源，輸入電流波形中存在諧波，諧波具有以下特點：

(1) 諧波次數為奇次；

(2) 諧波次數越高，諧波幅值越小；

(3) 諧波與基波的關系不固定，角頻率與阻容的乘積越大，則諧波越大，而基波越小，這是因為角頻率與阻容的乘積越大，意味著負載越輕，二極管的導通角越小，則交流側電流波形的底部越窄，波形畸變也越嚴重[7-8]。

圖1所示為電容濾波單相不可控橋式整流電路。當仿真狀態穩定時，觀測輸入電壓Vin、輸入電流I(p)及負載電壓Vout的波形(見圖2)。

圖1　電容濾波單相不可控橋式整流電路

從圖2可以看出，輸入電流存在明顯的畸變，這里需要對輸入電流畸變率(THD)進行計算。在Saber中，THD的計算很容易實現。先進行時域仿真，將波形進行傅里葉分析，在傅里葉分析對話框中設置2個參數即可，一個是NumberofHarmonics(諧波數)，一個是FundamentalFrequency(基波頻率)。設置好參數后運行分析程序即可看到在此電路參數下THD的值。

圖2　電容濾波單相不可控橋式整流電路仿真波形

在i(v_sin.v_sin1)對應的一行可以找到輸入電流的THD值為1.026。功率因數λ可通過下式計算：

(4)

由以上分析計算可知，由于電路固有結構的原因，電容濾波單相不可控整流電路無法獲得較高的功率因數，當負載增大時，輸出電壓會受到負載的影響而略有下降。如果要使負載正常運行，應適當升高輸入電壓，而這樣必然會造成供電效率的下降

3　功率因數校正策略

對于整流電路而言，輸出直流電壓的質量是衡量整流電路優劣的重要依據。想要得到穩定的輸出，濾波電容是不可或缺的元件。然而，由于其非線性的特性，輸入交流電壓只利用了尖峰的部分，輸入電流無法跟蹤輸入電壓。若將濾波環節取消，雖然功率因數得到了提升，電流波形也恢復為正弦，但輸出電壓已非平滑的直流波形。解決以上矛盾的唯一方法是在整流電路和濾波電容之間插入功率因數校正電路，插入了功率因數校正(powerfactorcorrection，PFC)的整流電路如圖3所示。

圖3　采用功率因數校正的電路結構

由式(1)可知，功率因數受到畸變因子和相移因數的制約。若使輸入電壓與輸入電流同相位，則此時相移因數為1，功率因數只與畸變因子有關；若輸入電流為理想的正弦信號，即輸入電流無諧波分量，則畸變因子為1。功率因數校正技術可以有效解決上述兩個問題。

功率因數校正技術是將一個DC/DC環節置于濾波電容與不可控整流器之間，其工作原理為：將輸入電壓作為參考，使輸入電流的頻率、相位與輸入電壓基本保持一致，同時大幅降低輸出電壓的脈動，使其穩定在較為平滑的狀態。由于輸入電壓與輸入電流波形較為相似，極大地提高了功率因數，采用功率因數校正技術的電路其功率因數往往接近1，諧波總畸變率較小，工

作范圍較寬，同時功率密度高。但其應用也會受到一定條件的限制，如成本高，電路結構復雜，電磁兼容性方面也會存在一定的問題[9-11]。

4　功率因數校正電路仿真

本文所介紹的功率因數校正電路是以集成芯片UC3854為核心，配合功率元件及阻、容等外圍元件構成。

有源功率因數校正電路按照結構有多種形式，其中應用最廣的為升壓式結構。由于主電路中存在升壓電感，使其適用于電流型控制。在實際的電路應用中，UC3854的主要功能是使主回路電流與輸入電壓的波形保持一致，要想達到這種狀態，功率元件起到不可或缺的作用。在芯片內部將電壓信號與鋸齒波信號相比較，產生脈沖寬度調制信號，經三極管放大后控制功率元件的通斷。由于主電路中存在升壓電感，使得負載從電路中獲得的能量是連續的，而不是像電容濾波單相不可控整流電路那樣只利用電壓的峰值[12]。

基于UC3854的功率因數校正電路如圖4所示。

圖4　基于UC3854的功率因數校正電路

由于此電路結構比較復雜，因此電路仿真的速度較慢，仿真時間不能設置得太短，否則電路達不到穩定狀態。這里對瞬態分析仿真器做如下設置：

EndTime：300m；

TimeStep：1u；

RunDCAnalysisFirst：Yes；

PlotAfterAnalysis：Yes-OpenOnly；

WaveformsatPins：AcrossandThroughVariables。

電路仿真結果如圖5所示。圖5中分別給出了輸入電壓Vin、輸入電流I(p)和輸出電壓Vout的波形，由于該仿真軟件中電路各節點只能對“地”觀測仿真結果，因此無法完整地顯示輸入電壓波形，只能分別對正弦波的正輸入端與“地”之間的電壓Vin1和“地”與負輸入端之間的電壓Vin2進行觀測，兩者幅值相同、相位互補。輸入電流為正弦波，且相位與輸入電壓相同，輸出直流電壓波形也較為平滑。

圖5　功率因數校正電路的仿真波形

這里還需對電流畸變率進行計算。仍然對波形進行傅里葉分析，在i(v_sin.v_sin1)對應的一行可以找到輸入電流的THD值為0.08393，通過公式計算可得此電路的功率因數λ為

(5)

5　結論

通過對電容濾波單相不可控整流電路和采用功率因數校正技術的整流電路的對比和功率因數計算，證明采用功率因數校正技術的電路，其輸入電流能夠保持正弦波形，相位與輸入電壓波形一致，輸出直流電壓波形也較為平滑。在中小功率系統中，有源功率校正技術將會取代不可控整流技術而得到廣泛的應用。

References)

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SimulationanalysisofpowerfactorcorrectioncircuitbasedonSaber

ZhouKai，ShiZeng，JinNingzhi

(CollageofElectricalandElectronicEngineering,HarbinUniversityofScienceandTechnology,Harbin150080,China)

Thispaperintroducesakindofactivepowerfactorcorrectioncircuit,theauxiliarycircuitisaddedtothetraditionalnon-controlledrectifiercircuit.UC3854isthecorecomponents.Theinputcurrentwaveformisforcedtofollowtheinputvoltagewaveformbycontrollingtheswitchstateofthepowercomponents.Byanalyzingthesimulationofactivepowerfactorcorrectioncircuitandnon-controlledrectifiercircuitwithfilteringcapacitor,itcandrawaconclusionthatpowerfactorcorrectiontechnologycaneffectivelyimprovethecircuitpowerfactorandkeeptheinputcurrentwaveformassine.ItsphaseisinaccordancewiththeinputvoltagewaveformandtheoutputDCvoltagewaveformisrelativelysmooth.

powerfactorcorrection;simulationanalysisofcircuit;rectifiercircuit;Saber

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.05.030

2015- 10- 12

哈爾濱理工大學教育教學研究項目(420140003)

周凱(1982—)，男，黑龍江哈爾濱，博士，副教授，碩士生導師，研究方向為汽車電子及測試技術.

E-mail：zhoukai4564@163.com

TM464

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1002-4956(2016)5- 0117- 04