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兩種高功率因數開關電源設計方案的比較

2012/7/12 電源在線網

0 引言

傳統的開關電源整流電路普遍采用不可控二極管或相控晶閘管整流方式，直流側采用大電容濾波，輸入電流諧波含量大，功率因數低，造成了嚴重的電網污染和能源浪費。目前，解決諧波問題、提高功率因數的主要方法：（1）對產生諧波的電力電子裝置的拓撲結構和控制策略進行改進，使其產生較少的諧波甚至不產生諧波，使得輸入電流和輸入電壓同相，達到提高功率因數的目的，如PWM整流技術；（2）在整流橋和濾波電容之間加一級用于功率因數校正的功率變換電路，如有源功率因數校正（APFC）技術。近些年來APFC技術和PWM 技術在中、小功率乃至大功率開關電源中得到了普遍應用。本文以高功率因數開關電源作為研究對象，分析采用APFC技術和PWM 整流技術來提高功率因數的原理，并采用Matlab7.6軟件對單相電壓型PWM 整流電路和APFC電路進行了仿真及分析比較。

　　1 高功率因數開關電源的設計方案

1.1 采用PWM 整流技術的開關電源

采用PWM 整流技術的高功率因數開關電源的結構如圖1所示，本文只探討其中的PWM 整流電路部分。

圖1 采用PWM 整流技術的高功率因數開關電源結構

該種高功率因數開關電源設計方案采用PWM整流技術和DSP技術，能數字化地實現整流器網側單位功率因數正弦波電流控制，比較適合應用于中等功率開關電源設計中。

1.2 采用APFC技術的開關電源

采用APFC技術的高功率因數開關電源，其前級APFC電路采用實際生產中應用最廣泛的Boost拓撲結構，負責使交流輸入電流正弦化并使其與輸入電壓同相位，同時保持輸出電壓穩定；后級DC/DC變換電路采用能實現多路輸出的反激式拓撲結構，主要負責調整輸出電壓，通過DC/DC變換得到所需要的直流電壓，其結構如圖2所示。

由圖4可知，PWM 整流控制系統中需要檢測的信號有輸入交流電壓us、輸出直流電壓ud以及輸入交流電流is.us是閉環控制中相位檢測的輸入信號；通過比較ud與給定參考電壓u*d以及直流側紋波電壓補償u~d來決定電壓外環PI調節器的輸出im,并將其與輸入電壓同步信號sinωt的乘積作為指定電流i*s ;is與i*s的差值決定電流內環PI調節器的輸出；最后比較電流內環PI調節器的輸出與三角載波，產生PWM 信號來控制開關管的關斷。這樣，電流PI調節器的輸出決定PWM 信號的占空比，使實際輸入電流逼近指定電流值。

3 有源功率因數校正技術

本節采用如圖2所示的方案，基于Boost-APFC的功率因數校正電路如圖5所示。該電路由主電路和控制電路組成。主電路包括橋式整流器、升壓電感、功率開關管、續流二極管以及濾波電容等，控制電路包括電壓誤差放大器VA、電流誤差放大器CA、基準電壓源、乘法器、PWM 比較器以及柵極驅動器。

圖5 基于Boost-APFC的功率因數校正電路

工作原理：APFC主電路的輸出電壓經電阻分壓后與基準電壓相比較，誤差值輸入到VA;VA 輸出信號X與輸入電壓檢測信號Y一起輸入乘法器，經過平均化處理、放大、比較后，再經過PWM 比較器加到柵極驅動器，產生對開關管VT的控制信號，從而使電感Ls上的電流（即輸入電流）平均值始終跟蹤模擬乘法器輸出的半正弦信號，即跟蹤了輸入電壓波形，并實現了輸入電流正弦化，使功率因數接近1,達到校正功率因數的目的。

4 仿真分析

4.1 PWM 整流器電路仿真與分析

采用Matlab7.6對所設計的單相全橋電壓型PWM 整流器進行建模和仿真，在Simulink中搭建仿真模型，主電路仿真參數：峰值電壓為311V,頻率為50Hz,相位為0°，采樣時間為0s;Ls=2mH,Rs=0.5Ω，直流側濾波電容Cd=2 500μF,直流側負載電阻RL=50Ω；從PowerElectronics中調用Universal Bridge 模塊，并將其設置成二橋臂IGBT/Diodes模式，仿真算法設置為可變步長類算法中的ode45算法。

交流輸入側電壓與電流的仿真波形如圖6所示，可見交流側電流、電壓能始終保持同相，且電流能實現正弦化。直流側輸出電壓波形如圖7所示，可見0.06s后輸出電壓穩定在400V左右。