基于Matlab的交流斬波型PFC電路仿真研究

0 引 言

　　大量電力電子裝置和非線性負載的廣泛應用，使得電力系統(tǒng)電壓及電流波形發(fā)生畸變，產生了大量的諧波，導致電源輸入功率因數(shù)降低，對電網環(huán)境造成嚴重的污染，使用電設備所處環(huán)境惡化，也對周圍的通信系統(tǒng)和公共電網以外的設備帶來危害。為了改善電網環(huán)境，必須了解產生諧波污染的原因，并對諧波進行有效的抑制，進行功率因數(shù)校正。為了提高供電線路功率因數(shù)，保護用電設備，世界上許多國家和相關國際組織制定出相應的技術標準，以限制諧波電流含量。如：IEC555-2，IEC61000-3-2，EN60555-2等標準，規(guī)定允許產生的最大諧波電流。我國于1994年也頒布了《電能質量公用電網諧波》標準(GB／T14549-93)。因此，功率因數(shù)校正(PFC)技術便成為電力電子研究的熱點。

　　1 諧波的抑制與功率因數(shù)校正方法

　　解決電力電子裝置和其他諧波源的污染問題主要有兩種方法：一是采用無源濾波或有源濾波電路來旁路或濾除諧波；二是對電力電子裝置本身進行改造，使其補償所產生的諧波，采用功率校正電路，使其具有功率因數(shù)校正功能。

　　功率因數(shù)校正(PFC)技術主要為無源PFC和有源APFC。無源PFC是采用無源元件來改善功率因數(shù)，減小電流諧波的，方法簡單但電路龐大笨重，有些場合無法適用，且功率因數(shù)一般能達到0．90。有源APFC是將一個變換器串入整流濾波電路與DC／DC變換器之間，通過特殊的控制，強迫輸人電流跟隨輸入電壓，使得輸入電流波形接近于正弦波，并且與輸入電壓同相位，提高功率因數(shù)，使其達到功率因數(shù)為1的目標。反饋輸出電壓使之穩(wěn)定，從而使DC／DC變換器的輸入事先預穩(wěn)，該方法設計易優(yōu)化，性能進一步提高，因此應用廣泛。

　　2 傳統(tǒng)功率因數(shù)校正電路的結構及其缺點

　　基于PFC的拓撲電路的研究現(xiàn)在已經非常成熟，而且得到了十分廣泛的應用，使用得最多的是升壓斬波(Boost)和降壓斬波(Buck)電路。傳統(tǒng)的單相功率因數(shù)校正電路的結構如圖1所示。

　　其中，Boost拓撲電路由于結構簡單和成本低廉而最為流行，電路中交流電源通過專用整流橋轉換成直流，后經過Boost PFC電路輸出，該方法具有較好的控制效果，在中小功率電源中應用較為廣泛。但其也存在一些缺點：

(1)任何時刻都有三個半導體器件導通，隨著功率的提高，整流橋上消耗的功率也會隨之增加，從而提高了電源的發(fā)熱損失，降低了電源效率；
(2)該Boost電路有很高的開關頻率，增大了電路的開關損耗；
(3)直流側的二極管降低了直流電壓，增加了電路功耗和不穩(wěn)定性。
應用這里所提出的交流斬波功率因數(shù)校正電路，可以解決傳統(tǒng)校正電路中存在的以上問題。

　　3 交流斬波功率因數(shù)校正器的基本電路和工作原理

　　3．1 Boost型交流斬波功率因數(shù)校正電路

　　Boost型交流斬波功率因數(shù)校正電路的基本結構如圖2所示。

　　Q為雙向開關管。當開關管導通時，輸入電流通過電感和開關管，電感儲能，同時直流側濾波電容給負載供電；當開關管斷開時，輸入電流經過電感和整流二極管到達負載端，電感儲能和交流電源同時給負載和電容供電。
可以看出，與傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正電路相比較，具有以下優(yōu)點：當開關管導通時，主回路電流不經過整流橋的二極管，減小了功率損耗；傳統(tǒng)電路中的快速恢復二極管VD在交流斬波功率因數(shù)校正電路中也不存在了，減小了功率損耗，提高了系統(tǒng)的工作可靠性。

　　該電路相當于兩個Boost電路的并聯(lián)，在克服傳統(tǒng)Boost PFC電路缺點的同時，保留了升壓電路的優(yōu)點。該方法的優(yōu)點在于：

(1)增強了傳統(tǒng)PFC電路的諧波抑制和功率因數(shù)校正能力，可實現(xiàn)單位功率因數(shù)；
(2)交流側的電感增強了電路的電磁兼容性；
(3)降低了電路的傳導損失，任何時刻都只有兩個半導體器件導通；
(4)通過開關管M1和M2的額定電流較小。

　　3．2 Buck型交流斬波功率因數(shù)校正電路

　　圖3所示的為Buck功率因數(shù)校正電路的基本結構，Q為雙向開關管。當開關管斷開時，輸入電流通過電感、電容和開關管，電容C1儲能。

　　當開關管導通時，此時輸入電流經過整流二極管到達負載端，電容儲能和交流電源同時給負載和電容供電。可以看出，Buck型交流斬波功率因數(shù)校正電路中，當開關管斷開，主回路電流不經過整流橋的二極管，可達到減小功率損耗的目的。

　　4 仿真分析

　　Simulink軟件是Matlab軟件包的擴展，專門用于動態(tài)系統(tǒng)的仿真，具有很強的動態(tài)系統(tǒng)仿真能力，仿真速度較快，特別是基于simuIink Power System工具箱進行功率因數(shù)校正電路的仿真，有兩個優(yōu)點：

　　(1)基于器件模型，可以仿真器件參數(shù)變化對系統(tǒng)的影響；
(2)仿真模型復雜。精度較高。可以將計算機仿真技術運用到PFC裝置的分析和設計中。

　以Boost型為例，對文中所提出的交流斬波功率因數(shù)校正電路進行仿真分析。功率因數(shù)校正電路采用輸入電流斷續(xù)工作模式的峰值電流控制，仿真參數(shù)：uin=311sin ωt，L=0．7 mH，輸出功率P=500 W，uout=300 V。按圖4模型建模，仿真波形如圖5、圖6所示。其中，圖5為輸入電壓、電流的波形，圖6為輸出電壓的波形。

　　從圖5可以看出，輸入電壓和輸入電流進入穩(wěn)態(tài)后，輸入電壓和輸入電流相位幾乎一致，輸入電流也幾乎是正弦波。整個仿真時間段內的功率因數(shù)約為0．997。從圖6可看出，輸出電壓隨著仿真時間的進行，逐漸趨于穩(wěn)定狀態(tài)，輸出電壓在300 V上下波動，符合電路設計要求。

　　5 結 語

　　這里討論了應用較為成熟的單相Boost PFC電路的不足，介紹一種新型單相交流斬波功率因數(shù)校正電路，分析了其工作原理，并給出了仿真波形。結果表明，輸人電流具有很高的品質因數(shù)，基本為標準的正弦波形，與輸入電壓相位相近，實現(xiàn)了高功率因數(shù)。與傳統(tǒng)的電路相比，能減少系統(tǒng)的功耗，提高系統(tǒng)工作的可靠性，而取得相同的控制效果。仿真結果驗證了方案的可行性。方案中的交流斬波電路除了采用Boost型和Buck型外，也可采用其他的功率變換電路。

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