《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于Matlab的交流斬波型PFC電路仿真研究
摘要: 這里討論了應(yīng)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(jié)果表明,輸人電流具有很高的品質(zhì)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),。
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  0 引 言

  大量電力電子裝置和非線性負載的廣泛應(yīng)用,,使得電力系統(tǒng)電壓及電流波形發(fā)生畸變,產(chǎn)生了大量的諧波,,導(dǎo)致電源輸入功率因數(shù)降低,,對電網(wǎng)環(huán)境造成嚴重的污染,使用電設(shè)備所處環(huán)境惡化,,也對周圍的通信系統(tǒng)和公共電網(wǎng)以外的設(shè)備帶來危害,。為了改善電網(wǎng)環(huán)境,,必須了解產(chǎn)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(shè)備,,世界上許多國家和相關(guān)國際組織制定出相應(yīng)的技術(shù)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(chǎn)生的最大諧波電流,。我國于1994年也頒布了《電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》標準(GB/T14549-93),。因此,功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)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(chǎn)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(shù)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(yù)穩(wěn),,該方法設(shè)計易優(yōu)化,,性能進一步提高,因此應(yīng)用廣泛,。

  2 傳統(tǒng)功率因數(shù)校正電路的結(jié)構(gòu)及其缺點

  基于PFC的拓撲電路的研究現(xiàn)在已經(jīng)非常成熟,,而且得到了十分廣泛的應(yīng)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(jié)構(gòu)如圖1所示,。

傳統(tǒng)的單相功率因數(shù)校正電路的結(jié)構(gòu)

  其中,,Boost拓撲電路由于結(jié)構(gòu)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(zhuǎn)換成直流,,后經(jīng)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(yīng)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(dǎo)體器件導(dǎo)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(guān)頻率,,增大了電路的開關(guān)損耗,;
(3)直流側(cè)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(yīng)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(jié)構(gòu)如圖2所示,。

Boost型交流斬波功率因數(shù)校正電路的基本結(jié)構(gòu)

  Q為雙向開關(guān)管,。當開關(guān)管導(dǎo)通時,輸入電流通過電感和開關(guān)管,,電感儲能,,同時直流側(cè)濾波電容給負載供電;當開關(guān)管斷開時,,輸入電流經(jīng)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(guān)管導(dǎo)通時,主回路電流不經(jīng)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(fù)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(cè)的電感增強了電路的電磁兼容性,;
(3)降低了電路的傳導(dǎo)損失,,任何時刻都只有兩個半導(dǎo)體器件導(dǎo)通;
(4)通過開關(guān)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(jié)構(gòu),,Q為雙向開關(guān)管。當開關(guān)管斷開時,,輸入電流通過電感,、電容和開關(guān)管,電容C1儲能,。

Buck功率因數(shù)校正電路的基本結(jié)構(gòu)

  當開關(guān)管導(dǎo)通時,,此時輸入電流經(jīng)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,??梢钥闯觯珺uck型交流斬波功率因數(shù)校正電路中,,當開關(guān)管斷開,,主回路電流不經(jīng)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(fù)雜,。精度較高,。可以將計算機仿真技術(shù)運用到PFC裝置的分析和設(shè)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,。

仿真分析

 

  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(nèi)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(shè)計要求。

  5 結(jié) 語

  這里討論了應(yīng)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(jié)果表明,,輸人電流具有很高的品質(zhì)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(jié)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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