一種小型化單相有源功率因數(shù)校正裝置設(shè)計

劉少龍，劉 力，楊啟帆，徐葉斌，劉濤瑜

（中國航空工業(yè)集團公司西安航空計算技術(shù)研究所，陜西 西安 710076）

0 引 言

開關(guān)電源變換器具有響應(yīng)速度快、體積重量均明顯減小、損耗低以及帶負載能力強等特點，因此大部分應(yīng)用場合下開關(guān)電源基本已取代了線性電源[1]。但是，開關(guān)電源也帶來了一些在使用中無法避免的負面問題，其中主要的問題就是對電網(wǎng)產(chǎn)生的諧波和無功污染[2,3]。

為了有效減少開關(guān)電源并網(wǎng)產(chǎn)生的諧波和無功污染，目前主要通過功率因數(shù)校正電路來進行解決[4]。文獻[5]和文獻[6]針對功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）控制電路分別提出了變占空比的PFC控制方式和基于狀態(tài)監(jiān)測器的控制方法，雖然可以在一定程度上減少諧波電流分量，但也明顯增加了控制電路的復(fù)雜度和設(shè)計成本。文獻[7]從理論上闡述了不同種類的功率因數(shù)校正技術(shù)，卻只做了理論的說明，而沒有提及具體的工程實現(xiàn)。文獻[8]提出了一種單開關(guān)整合式PFC變換器，該變換器雖可以改善BUCK型PFC電路諧波電流大的缺點，但不適合大功率的應(yīng)用場合。

電流諧波產(chǎn)生的主要原因是開關(guān)電源中二極管構(gòu)成的不可控容性整流電路工作時的電流不連續(xù)，解決這一問題的辦法就是對開關(guān)電源設(shè)備中的電流脈沖幅度進行抑制，使得電流波形盡量接近正弦波[9]。綜上所述，本文結(jié)合單相交流供電設(shè)備的實際應(yīng)用場景，提出了一種諧波抑制效果明顯、功率因素顯著提高、同時可以達到小型化目的的功率因數(shù)變換裝置。

1 單相有源功率因數(shù)校正的基本原理

通過對電流脈沖的幅度進行限制，使電流波形盡量接近正弦波，是功率因數(shù)校正技術(shù)的目的[10,11]。有源功率因數(shù)校正電路通常采用電壓控制性晶體管對主電路回路的電流進行幅值和相位的控制，使其盡量與輸入電壓相位接近、波形相同，總諧波含量可削弱至5.0%以下，功率因數(shù)可達到0.99以上[12,13]。

典型的單相有源有源功率因數(shù)校正電路如圖1所示。流過電感L的電流受開關(guān)管S的通斷控制。當開關(guān)管S在1個開關(guān)周期內(nèi)處于導通狀態(tài)，輸入電壓Ui通過整流橋后給電感L充電，電感電流增加，當開關(guān)管處于關(guān)斷狀態(tài)，則電感L上存儲的電能給后級電路放電，電感電流下降。

圖1 單相有源功率因數(shù)校正電路

電感電流可控的原理可以通過狀態(tài)平均等效電路法來進行說明，如圖2所示。將電路中的電壓和電流用相量表示，可以得出為輸入電壓相量，為電感電流相量，而電感兩端的電壓則超前相位90°。選擇合適的開關(guān)管通斷占空比控制率D(t)，使得，按照正弦規(guī)律變化，且相位比輸入電壓相量超前90°，即可實現(xiàn)電感電流對輸入電壓波形的相位跟蹤。

圖2 電感電流可控狀態(tài)平均等效電路

為了獲取與輸入電壓同相位的電感電流值，關(guān)鍵是確保開關(guān)器件的占空比滿足要求。通常在工程設(shè)計中，開關(guān)器件合適的占空比由控制電路產(chǎn)生，控制電路的電流給定信號為正弦絕對值信號，因此閉環(huán)控制會不斷調(diào)節(jié)實際工作中流過電感的電流波形接近正弦絕對值信號，從而實現(xiàn)功率因數(shù)校正。

2 主電路參數(shù)計算和選型

下面以電流連續(xù)模式PFC電路為例，介紹主電路中開關(guān)管S、升壓電感L以及二極管VD5等關(guān)鍵器件的電氣參數(shù)計算。

輸入電壓通常為正弦波，此處忽略電流紋波的理想情況下可認為經(jīng)過該PFC電路后電流和電壓相位完全相同，即功率因數(shù)為1，計算公式為

式中：Ui、Ii分別為輸入電壓和輸入電流的幅值；ω為輸入電壓Ui的角頻率。

流過電感的電流為輸入電流的絕對值，為輸入電流經(jīng)過全波整流后的波形，因此有根據(jù)電路的狀態(tài)空間平均模型，則有相應(yīng)的計算公式為

式中：D(t)為開關(guān)管導通占空比，其隨著時間實時變化；D'(t)為開關(guān)管關(guān)斷占空比，與D(t)相加之和為1；Uo為輸出電壓。

根據(jù)式（3）可以近似得出

流過開關(guān)管電流的表達式為

式中：k=0,1,…,N-1。當該升壓變換電路穩(wěn)定運行時，TS→0、N→∞，則可得出開關(guān)管電流在輸入電壓周期內(nèi)的有效值近似為

式中：IsRMS、IiRMS、UiRMS分別為開關(guān)管電流有效值、輸入電流有效值以及輸入電壓有效值。

根據(jù)二極管電流和開關(guān)管電流之間的關(guān)系，可得出二極管電流的有效值為

在電流連續(xù)模式下，電感電流最大有效值可近似表示為

根據(jù)最大紋波電流峰峰值可計算得出升壓電感的電感量，計算方式如下。

式中：Uimax為輸入電壓的峰值。

3 控制電路設(shè)計

實用的單相功率因數(shù)校正電路采用電流連續(xù)模式或臨界導電模式，較少采用電感電流斷續(xù)工作模式。本設(shè)計中電路設(shè)計選用電流連續(xù)工作模式，選用UC3854作為主功率電路的控制芯片。控制電路原理如圖3所示。

圖3 控制電路原理

控制電路是完成輸入電流相位控制和輸出電壓幅值控制的核心，其經(jīng)過2級PI計算得到的開關(guān)信號直接輸入開關(guān)管的控制端，實現(xiàn)電路的雙閉環(huán)控制。

雙閉環(huán)控制由外環(huán)電壓環(huán)和內(nèi)環(huán)電流環(huán)構(gòu)成，雙環(huán)均采用比例積分的控制原理。電壓環(huán)實時采集PFC電路負載輸出端的直流電壓值并與給定電壓值參考值進行比較，將二者差值進行比例運算和積分運算后作為電流環(huán)的給定信號之一。電流環(huán)實時控制流過電感的電流值，其給定值的計算一部分來自前端電壓環(huán)的PI計算結(jié)果，另一部分來自整流橋的輸出，整流橋的輸出在實際計算中會做絕對值處理，目的是給電流環(huán)提供1個正弦絕對值參考信號，讓電感電流的波形和相位去接近該參考信號。實際應(yīng)用中，電流環(huán)的參考還加入了前端的電壓有效值。前端電壓采集電路實時采集整流橋的輸出電壓，獲取該電壓的有效值信號，將該有效值信號再進行平方運算，目的是將輸入電壓的變換快速反饋到電流環(huán)的PI計算結(jié)果中，然后通過控制開關(guān)管的導通和關(guān)斷來快速調(diào)整PFC電路的輸出信號，以達到輸出電壓對輸入電壓變化的迅速響應(yīng)，確保不會長時增大電流對電路產(chǎn)生損壞。

乘法器電路依據(jù)3部分的電流參考輸入值進行乘除運算，得出最終的電流環(huán)給定信號。該給定信號再和實際電流值進行PI比較運算，得出電流環(huán)的輸出結(jié)果。電流環(huán)輸出結(jié)果信號即為雙環(huán)PI控制器最終輸出的控制量。該控制量和振蕩器輸出的鋸齒波載波信號同時輸入至脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）比較器，比較后便可得出頻率一定且占空比隨著控制量變換的PWM信號。該PWM信號在經(jīng)過一級驅(qū)動放大電路后，得到最終的控制信號，并將其輸入至開關(guān)管的控制端，實現(xiàn)開關(guān)管的通斷控制。該控制信號內(nèi)包含了輸出電壓與輸入電壓的差值、電流波形相位與給定信號的差值以及輸入電壓的變化信息，因此通過控制開關(guān)管的工作狀態(tài)便可直接達到電路電壓閉環(huán)和功率因素校正的目的。

4 結(jié) 論

單相有源功率因數(shù)校正電路在單相交流供電的場合下應(yīng)用廣泛，同時根據(jù)單相有源功率因數(shù)校正電路的基本原理也可以推廣得出三相有源功率因數(shù)校正電路。單相PFC電路能很好地利用開關(guān)管的開通和關(guān)斷來達到功率因數(shù)校正的目的，大多數(shù)情況下校正后的功率因數(shù)均接近于1。同時經(jīng)過調(diào)節(jié)電流相位可保證電流波形跟隨電壓波形而不產(chǎn)生明顯畸變，大大減小了電路中的諧波污染，具有重要的應(yīng)用價值。