基于單級PFC的智能水電站照明電源設(shè)計方法

李在強(qiáng)，薛 磊，彭冬麗，何思豪，王 宏

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051）

智能水電站照明電源系統(tǒng)不僅要求能實現(xiàn)照明亮度調(diào)整、升降壓調(diào)節(jié)的需求，還要實現(xiàn)高效節(jié)能、高功率因數(shù)和低諧波的目標(biāo)。而目前常用的照明電源設(shè)計方法表現(xiàn)為電源工作模式的選取不夠合理、控制方式的設(shè)計不夠先進(jìn)、無法自動地進(jìn)行有源功率因數(shù)校正，使其產(chǎn)生的功率因數(shù)較低，還含有大量諧波[1]。因此面向智能水電站中小功率照明電源的應(yīng)用場合，設(shè)計具有功率因數(shù)校正功能的照明電源系統(tǒng)，降低諧波和噪聲的干擾，減少對電網(wǎng)的污染，提高產(chǎn)品的功率因數(shù)，就顯得尤為重要[2]。

有鑒于此，本文提出一種基于單相單端反激電路的智能水電站PFC照明電源設(shè)計方法。通過優(yōu)化電源系統(tǒng)組成、確定電源工作模式及控制方式，使照明電源系統(tǒng)除了具有升壓或降壓功能外，還可實現(xiàn)輸入輸出的電氣隔離、高功率因數(shù)和低諧波的效果。

1 單相單端PFC照明電源結(jié)構(gòu)和原理

1.1 照明電源組成結(jié)構(gòu)

為達(dá)到水電站照明電源的升壓或降壓外，還要輸入輸出的電氣隔離、高功率因數(shù)和低諧波的目標(biāo)。本照明電源系統(tǒng)采用單端反激的PFC（Power Factor Correction，功率因數(shù)校正）電路實現(xiàn)照明的升降壓功能和功率因數(shù)調(diào)整功能[3]，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)由整流電路、主電路、控制電路、反饋取樣電路和輸出濾波電路組成。

圖1 單級PFC照明電路原理框圖

（1）主電路

作為主電路的單級PFC電路拓?fù)溆蟹歉綦x式和隔離式兩種選擇。非隔離式電路有Buck電路、Boost電路、Buck-Boost電路[4]；隔離式電路有：反激型電路、正激型電路。

單獨(dú)的降壓式和升壓式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)只能實現(xiàn)其中一種功能，存在局限性；而升/降壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路復(fù)雜，無法實現(xiàn)電氣隔離功能；正激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)即為輸出與輸入隔離的降壓式拓?fù)洌荒軐崿F(xiàn)降壓；反激式即為輸出與輸入隔離的升/降壓式拓?fù)洹？紤]到為實現(xiàn)升壓或降壓外，還要輸入輸出的電氣隔離，本文采用單端反激電路作為單級PFC的主電路[5,6]。

（2）整流電路

AC/DC電源的標(biāo)準(zhǔn)輸入電路都包括一個全橋整流電路，對輸入的交流電進(jìn)行整流。一般的整流濾波電路在整流橋后面都會加一個大電容達(dá)到濾波的作用，但這樣對電路的功率因數(shù)會產(chǎn)生很大的影響，而要求實現(xiàn)較高的功率因數(shù)，所以一般會在整流橋之后加一個小電容濾除高頻成分[7]。

（3）控制電路

通過控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷來實現(xiàn)功率因數(shù)校正，需要一個控制電路使輸入電流成正弦波并且同相位。但是單級PFC要實現(xiàn)兩個功能，另一個就是輸出電壓恒定。反激變換器是電氣隔離的，則還需電氣隔離的反饋電路將輸出信號反饋給控制電路，達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓使輸出電壓恒定的功能。

（4）輸出濾波電路

為使輸出電壓更加平滑，還應(yīng)對電路的輸出端再進(jìn)行一次濾波，即在反激變換器的儲能電容后加上LC濾波電路。

1.2 單級PFC技術(shù)工作原理

針對照明電源要具有功率因數(shù)校正的功能，本文采用了有源功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)中的單級PFC，將PFC和DC/DC結(jié)合到一起，如圖2所示。該P(yáng)FC方式功率因數(shù)校正技術(shù)效果較好，傳輸效率較高，并且電路設(shè)計和調(diào)試方法相對簡單而且性價比高。單級PFC是通過一個電路實現(xiàn)了兩個功能：控制輸入電流跟隨輸入電壓呈正弦化，提高功率因數(shù)；控制輸出電壓恒定[8]。

圖2 單級PFC電路原理圖

單級PFC的具體工作原理為：通過PWM（脈寬調(diào)制技術(shù)）來控制開關(guān)管的導(dǎo)通與關(guān)斷，將輸入電壓分解成脈沖電壓，然后利用二極管和電容將其轉(zhuǎn)換成平滑的直流電壓輸出，這個輸出電壓經(jīng)過電阻分壓器分壓后被采樣，與一個參考電壓進(jìn)入電壓誤差放大器進(jìn)行比較，其輸出的誤差信號作為乘法器的一個輸入，為了實現(xiàn)功率因數(shù)校正，乘法器的另一個輸入是經(jīng)過整流的交流輸入電壓經(jīng)電阻分壓器被采樣的半正弦波信號[9]；乘法器的輸出作為電流誤差放大器的基準(zhǔn)和來自電感的取樣電流進(jìn)行比較，使其呈正弦波變化；電流誤差放大器的輸出反饋到PWM控制器，來改變其脈沖寬度的大小，通過該反饋技術(shù)使輸入電流波形跟蹤輸入電壓的正弦波波形，使輸入電流與輸入電壓同相位。此外，如果輸出電壓升高，PWM控制器脈寬減小，進(jìn)而使輸出電壓降低，使輸出電壓恢復(fù)為正常輸出值，反之亦然。

1.3 單級PFC技術(shù)工作原理

單級PFC有三種工作模式，分別為不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）、臨界導(dǎo)電模式（CRM）、連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）[10]。

（1）臨界導(dǎo)電模式（CRM）也稱過渡模式，因為流過電感的電流在兩個開關(guān)周期之間會出現(xiàn)下降到零的情況，顯得不連續(xù)。臨界導(dǎo)電模式的工作過程：在開關(guān)管導(dǎo)通期間，電感電流從零線性上升達(dá)到峰值；在開關(guān)管關(guān)斷期間，電感電流從峰值線性下降到零，當(dāng)電感電流下降到零時正好下一開關(guān)周期開始。

（2）連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）即電感電流不會下降到零。連續(xù)導(dǎo)電模式的工作過程：在開關(guān)管導(dǎo)通期間，電感電流從零線性上升達(dá)到峰值；在開關(guān)管關(guān)斷期間，電感電流從峰值線性下降但還沒到零時，下一個開關(guān)周期就開始了。

（3）不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）即電感電流下降到0后過一段時間下一個開關(guān)周期才到來。不連續(xù)導(dǎo)電模式的特點(diǎn)：電感內(nèi)儲存的能量完全傳輸。

通過比較如表1所示的三種工作模式優(yōu)缺點(diǎn)，臨界導(dǎo)電模式CRM最適合本系統(tǒng)的工作模式。APFC有三種電流控制方式：峰值電流控制、滯環(huán)電流控制、平均電流控制。峰值電流控制具有快速電流峰值限制功能，但電流峰值和平均值之間存在誤差，諧波電流較大；滯環(huán)電流控制簡單易實現(xiàn)，但負(fù)載對開關(guān)頻率影響很大；平均電流控制可用于多種功率場合，實用性較高。經(jīng)比較后本系統(tǒng)的控制方式選擇平均電流控制。

2 單級PFC電路參數(shù)設(shè)計

2.1 主電路

基于反激變換器的單級PFC電路如圖3所示，考慮照明電源的輸入市電電壓Vin=220 V；最小交流市電頻率fac=50 Hz；開關(guān)頻率f=100 kHz；直流輸出電壓Vo=12 V；最大輸出功率Po=150 W；功率因數(shù)PF＞95%；效率η＞88%。現(xiàn)還需對PFC電路主要元件的參數(shù)進(jìn)行選擇，假設(shè)效率η=0.9；最大占空比Dmax=70%；則最大導(dǎo)通時間ton-max=7us；整流二極管的壓降VD=1 V；繞組壓降VL=0.6 V，則變壓器副邊繞組電壓VS為Vo、VD、VL的總和，即13.6 V；漏感電壓V1=100 V；電壓的維持時間tHOLD=20 ms；輸出電壓過壓保護(hù)點(diǎn)VOVP=56 V；輸出電壓的規(guī)定范圍下限VO（min）=10 V。根據(jù)這些設(shè)定的參數(shù)，對電路中的基本參數(shù)進(jìn)行計算。

式中：Lp為副邊電感量，Ip(max)為最大電流峰值。

圖3 單級PFC電路圖

2.2 中間變壓器

選擇鐵氧體EI35，通過查表可以得出：ΔBac=0.2 T允許溫升25℃，Kj=366；Aw=1.315 8 cm2，Ae=1.014 cm2，其參數(shù)計算如下：

原邊匝數(shù)：

匝數(shù)比：

式中：Np為原邊匝數(shù)，Vp為原邊所加直流電壓（V），ton-max為最大導(dǎo)通時間，ΔBac為交變工作磁芯密度（T），Ae為磁芯有效面積（mm2）。

2.3 整流器

整流器的作用就是將交流轉(zhuǎn)化為直流，整流橋的額定電壓值取決于輸入電壓的最大值，一般按最大輸入電壓峰值的1.5倍來確定，即

輸入電流額定值取決于變換器的最大輸入電流。按照下式計算確定

整流器的額定電流值為

一般整流橋電流額定值取該值的4-9倍為宜。

3 仿真實驗驗證

3.1 仿真系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)前述的照明電源電路及元件的參數(shù)設(shè)計，確定了水電站照明電源系統(tǒng)的輸入交流電壓為311 V，最大輸出功率為150 W。現(xiàn)對照明電源系統(tǒng)在MATLAB/Simulink軟件中加以驗證，其仿真實驗的主電路如圖4所示，控制方式如圖5所示。仿真試驗分別在負(fù)載為5 Ω和3.3 Ω的兩種工況下，對目標(biāo)電壓的跟隨和電壓、電流相位情況進(jìn)行驗證。

圖4 仿真系統(tǒng)主電路

圖5 仿真系統(tǒng)控制圖

3.2 仿真結(jié)果及分析

（1）負(fù)載為5 Ω時的仿真結(jié)果

當(dāng)負(fù)載為5 Ω時的仿真波形如圖6～8所示，設(shè)定照明電源輸出的目標(biāo)電壓為40 V。輸入電流能很好地跟隨輸入電壓成正弦波變化并且與輸入電壓同相位；因為采用了恒流閉環(huán)輸出，所以輸出電流恒定在8 A；根據(jù)歐姆定律可得輸出電壓保持在40 V左右，實現(xiàn)了電壓的有效跟隨，且跟隨速度較快。

（2）負(fù)載為3.3 Ω時的仿真結(jié)果

當(dāng)負(fù)載為3.3 Ω時的仿真波形如圖9～11所示，設(shè)定照明電源輸出的目標(biāo)電壓為24 V。輸入電流能很好地跟隨輸入電壓成正弦波變化并且與輸入電壓同相位；因為采用了恒流閉環(huán)輸出，所以輸出電流恒定在8 A；根據(jù)歐姆定律可得輸出電壓保持在24 V左右。

圖6 負(fù)載為5 Ω時輸出電壓的波形

圖7 輸入電流跟隨輸入電壓成正弦波變化的波形

圖8 負(fù)載為5 Ω時輸出電流的波形

圖9 負(fù)載為3.3 Ω時輸出電壓的波形圖

圖10 輸入電流跟隨輸入電壓成正弦波變化的波形

圖11 負(fù)載為3.3 Ω時輸出電流的波形

針對不同的負(fù)載工況下，PFC照明電源系統(tǒng)均能有效輸出目標(biāo)電壓，且輸入電流波形能夠?qū)崿F(xiàn)對交流輸入電壓的很好的跟蹤，實現(xiàn)了功率因數(shù)校正功能。除此之外，此波形圖還較好的反映了RCD緩沖電路的吸收漏感尖峰的功能。仿真試驗的結(jié)果驗證了單級PFC技術(shù)應(yīng)用于照明電源的有源功率因數(shù)校正效果，能夠降低產(chǎn)生的諧波含量，提高功率因數(shù)。

4 結(jié)論

針對智能水電站照明電源系統(tǒng)不僅需要實現(xiàn)基本升降壓功能，還需要自動功率因數(shù)校正的要求。本文提出了一種基于單相單端反激電路的智能水電站PFC照明電源設(shè)計方法，確定了照明電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、分析了單級PFC工作原理、選擇了電源工作模式及控制方式，完成基于反激變換器的單級PFC電路及參數(shù)設(shè)計，最后通過仿真試驗，驗證了該電源系統(tǒng)能夠有效消除諧波對供電網(wǎng)絡(luò)的污染，提高功率因數(shù)，助力智能水電站照明電源系統(tǒng)進(jìn)一步向高效節(jié)能、綠色環(huán)保發(fā)展。