鉅大LARGE | 點(diǎn)擊量：1426次 | 2020年05月15日
兩種高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方法的比較
0引言
傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)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(cè)采用大電容濾波，輸入電流諧波含量大，功率因數(shù)低，造成了嚴(yán)重的電網(wǎng)污染和能源浪費(fèi)。目前，解決諧波問(wèn)題、提高功率因數(shù)的重要方法：（1）對(duì)出現(xiàn)諧波的電力電子裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行改進(jìn)，使其出現(xiàn)較少的諧波甚至不出現(xiàn)諧波，使得輸入電流和輸入電壓同相，達(dá)到提高功率因數(shù)的目的，如pWM整流技術(shù)；（2）在整流橋和濾波電容之間加一級(jí)用于功率因數(shù)校正的功率變換電路，如有源功率因數(shù)校正（ApFC）技術(shù)。近些年來(lái)ApFC技術(shù)和pWM技術(shù)在中、小功率乃至大功率開(kāi)關(guān)電源中得到了普遍應(yīng)用。本文以高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源作為研究對(duì)象，分析采用ApFC技術(shù)和pWM整流技術(shù)來(lái)提高功率因數(shù)的原理，并采用Matlab7.6軟件對(duì)單相電壓型pWM整流電路和ApFC電路進(jìn)行了仿真及分析比較。
1高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方法
1.1采用pWM整流技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源
采用pWM整流技術(shù)的高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源的結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文只探討其中的pWM整流電路部分。
該種高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方法采用pWM整流技術(shù)和DSp技術(shù)，能數(shù)字化地實(shí)現(xiàn)整流器網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)正弦波電流控制，比較適合應(yīng)用于中等功率開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中。
1.2采用ApFC技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源
采用ApFC技術(shù)的高功率因數(shù)開(kāi)關(guān)電源，其前級(jí)ApFC電路采用實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)使交流輸入電流正弦化并使其與輸入電壓同相位，同時(shí)保持輸出電壓穩(wěn)定；后級(jí)DC/DC變換電路采用能實(shí)現(xiàn)多路輸出的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，重要負(fù)責(zé)調(diào)整輸出電壓，通過(guò)DC/DC變換得到所要的直流電壓，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
本節(jié)采用圖1所示的方法，其前級(jí)如圖3所示，即單相全橋電壓型pWM整流電路，電路采用有4個(gè)全控型功率開(kāi)關(guān)管的H橋型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3中網(wǎng)側(cè)電感為升壓電感，起平衡電路電壓、支撐無(wú)功功率、儲(chǔ)存能量和濾除諧波電流的用途；Rs為濾波電感的寄生電阻；主電路中功率開(kāi)關(guān)均反并聯(lián)一個(gè)續(xù)流二極管，用來(lái)緩沖pWM過(guò)程中的無(wú)功電能。
單相全橋電壓型pWM整流電路的SpWM調(diào)制方法分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種，本文采用單極性調(diào)制。
單相全橋電壓型pWM整流器選擇響應(yīng)速度較快的三角波電流比較法作為控制策略。因反饋到電壓外環(huán)的輸出電壓含有紋波電壓，而紋波電壓的存在將導(dǎo)致電流內(nèi)環(huán)的給定電流發(fā)生畸變，因此本文采用補(bǔ)償輸出直流電壓中紋波電壓的方法[4]來(lái)減少流入電壓控制環(huán)的紋波電壓，從而改善給定電流的波形。按照以上原理設(shè)計(jì)的單相全橋電壓型pWM整流器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。
由圖4可知，pWM整流控制系統(tǒng)中要檢測(cè)的信號(hào)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(huán)控制中相位檢測(cè)的輸入信號(hào)；通過(guò)比較ud與給定參考電壓u*d以及直流側(cè)紋波電壓補(bǔ)償u~d來(lái)決定電壓外環(huán)pI調(diào)節(jié)器的輸出im,并將其與輸入電壓同步信號(hào)sinωt的乘積作為指定電流i*s;is與i*s的差值決定電流內(nèi)環(huán)pI調(diào)節(jié)器的輸出；最后比較電流內(nèi)環(huán)pI調(diào)節(jié)器的輸出與三角載波，出現(xiàn)pWM信號(hào)來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的關(guān)斷。這樣，電流pI調(diào)節(jié)器的輸出決定pWM信號(hào)的占空比，使實(shí)際輸入電流逼近指定電流值。
3有源功率因數(shù)校正技術(shù)
本節(jié)采用如圖2所示的方法，基于Boost-ApFC的功率因數(shù)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(kāi)關(guān)管、續(xù)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(zhǔn)電壓源、乘法器、pWM比較器以及柵極驅(qū)動(dòng)器。
工作原理：ApFC主電路的輸出電壓經(jīng)電阻分壓后與基準(zhǔn)電壓相比較，誤差值輸入到VA;VA輸出信號(hào)X與輸入電壓檢測(cè)信號(hào)Y一起輸入乘法器，經(jīng)過(guò)平均化處理、放大、比較后，再經(jīng)過(guò)pWM比較器加到柵極驅(qū)動(dòng)器，出現(xiàn)對(duì)開(kāi)關(guān)管VT的控制信號(hào)，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(hào)，即跟蹤了輸入電壓波形，并實(shí)現(xiàn)了輸入電流正弦化，使功率因數(shù)接近1,達(dá)到校正功率因數(shù)的目的。
4仿真分析
4.1pWM整流器電路仿真與分析
采用Matlab7.6對(duì)所設(shè)計(jì)的單相全橋電壓型pWM整流器進(jìn)行建模和仿真，在Simulink中搭建仿真模型，主電路仿真參數(shù)：峰值電壓為311V,頻率為50Hz,相位為0°，采樣時(shí)間為0s;Ls=2mH,Rs=0.5Ω，直流側(cè)濾波電容Cd=2500μF,直流側(cè)負(fù)載電阻RL=50Ω；從powerElectronics中調(diào)用UniversalBridge模塊，并將其設(shè)置成二橋臂IGBT/Diodes模式，仿真算法設(shè)置為可變步長(zhǎng)類(lèi)算法中的ode45算法。
交流輸入側(cè)電壓與電流的仿真波形如圖6所示，可見(jiàn)交流側(cè)電流、電壓能始終保持同相，且電流能實(shí)現(xiàn)正弦化。直流側(cè)輸出電壓波形如圖7所示，可見(jiàn)0.06s后輸出電壓穩(wěn)定在400V左右。
在powergui模塊中對(duì)電路進(jìn)行FFT分析，在AvailableSignals中進(jìn)行相關(guān)設(shè)置后對(duì)輸入側(cè)電流進(jìn)行諧波分析，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知，總諧波畸變率DTH=0.77%,實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)低諧波畸變率的目標(biāo)，電流諧波得到了很好的抑制。
pWM整流器功率因數(shù)波形如圖9所示。由圖9可知，電路功率因數(shù)始終大于0.985,且工作0.03s后功率因數(shù)能達(dá)到1.
4.2單相ApFC電路仿真與分析
單相ApFC電路采用Matlab7.6進(jìn)行建模與仿真。圖10為ApFC電路輸入電壓和電流波形，可見(jiàn)網(wǎng)側(cè)輸入電流由窄脈沖波形變成正弦電流波形，且與輸入電壓同相位。圖11為ApFC電路輸出電壓波形，可見(jiàn)經(jīng)過(guò)60ms的軟啟動(dòng)過(guò)程之后，輸出電壓穩(wěn)定在400V左右，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。圖12為ApFC電路輸入電流諧波分析結(jié)果，可見(jiàn)除基波外，其余諧波含量均很小。
由圖12可知，輸入電流DHD為0.2565.功率因數(shù)計(jì)算公式為pF=γcosφ，其中r為基波因子。
由于輸入電流與電壓基本同相位，即相位差φ為0,則：
采用功率因數(shù)校正技術(shù)和pWM整流技術(shù)設(shè)計(jì)了兩種高功率因數(shù)的開(kāi)關(guān)電源，采用Matlab7.6建立仿真模型。由仿真結(jié)果可知，采用DSp芯片TMS320LF2407設(shè)計(jì)的前級(jí)單相全橋電壓型pWM整流電路功率因數(shù)大于0.985,并在電路穩(wěn)定后達(dá)到1,大于ApFC電路的功率因數(shù)0.969;且電壓型pWM整流電路電流總諧波畸變率為0.77%,遠(yuǎn)小于ApFC電路的總電流諧波畸變率25.65%.兩者相比，單相全橋電壓型pWM整流器能更好地實(shí)現(xiàn)輸入側(cè)電流的正弦化和與輸入側(cè)電壓的同相位，能更徹底地解決傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源電流諧波大、功率因數(shù)低的問(wèn)題，更好地實(shí)現(xiàn)綠色電能轉(zhuǎn)換的目標(biāo)。但是電壓型pWM整流器成本較高，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體需求選擇適合的類(lèi)型。<
