一种基于单周期控制的改进型功率因数校正方法

文章编号：16727800（2017）0040018040引言 随着电力电子技术的发展，越来越多的电力整流器投入电网使用，在为电力行业带来利益的同时，也给电网注入大量谐波。APFC（Active Power Factor Correction）有源功率因数校正器已成为众多学者的研究热点。传统的Boost型功率因数校正器电路受MOS管开关频率fm限制[15]，而基于OCC（One Cycle Control）的功率因数校正电路无需乘法器和检测输入电压电路，很多学者对单相和三相都提出了基于单周变换的PFC电路。基于准稳态控制原理，OCC PFC变换器可以视为在单周开关内稳态运行的DC-DC变换结构。若从输入端控制相电压和相电流的比值为一个常数，则可以将功率因数值的大小近似为1。目前，大部分研究主要集中在电源频率为f1（50Hz）的情况下，即桥式整流器后接Boost电路，功率校正电路可以去掉桥式整流器后面的大滤波电容C，整流器后面输出的电压为正弦半波，Boost变换器将正弦半波电压转换成稳定的直流电压，且稳定的电压值比正弦半波的最大幅值电压稍高，其核心本质是监控整流后的半波电压，使电流跟踪电压。Boost变换器将沿正弦半波曲线上升和下降的不同电压转换成直流电压的原理为：在周期T内，开关管S1导通一段时間TON，电感L储能，当开关管S1关断时，电感L的极性会颠倒。当电感L同名端的电压上升到高于输入电压Vin，开关管S1关断时，在TON储能期间，电感L通过VD给负载提供能量，这种变换器的输出—输入电压关系式如下：功率因数校正电路的主要任务是利用Boost变换器将沿正弦半波上升和下降的电压转换成稳定的、比输入正弦电压最大幅值稍高的直流电压输出。功率因数校正电路第二个电路的主要任务是检测输入电网的电流，并使其变成输入电网电压同相位的正弦[7-8]。其主要原理是控制芯片将电网中的采样电流和基准正弦波电流进行比较，两个正弦波的差值将产生误差电压。由误差电压来调节导通电压，从而使电网电流采样与基准正弦电流有同样的幅值和相位。在图1中，在正弦整个周期中，4个桥式整流器总会有两个开关器件导通，后级部分不管在正弦正半轴还是负半轴都会有MOS管或是续流二极管导通，从而任何时刻都有3个开关器件导通。随着开关器件的增多和开关频率的增大，开关损耗PS会增大，整个系统损耗Pz也将增加，从而使整体效率降低。为了解决这个问题，本文从OCC PFC的电路结构方面进行分析，提出一种改进型的OCC PFC电路，能够提高系统的稳定性和抗干扰性能。1常规OCC PFC变换器输入等效电路及分析本文主要分析单相OCC PFC电路，图1给出了单相OCC PFC电路的主要拓扑图，在一个周期内输出电压Uo可以视为恒定不变的量，整个控制器输出的稳态值为Um，其中RS为输入电网的采样电阻，电压控制的传递函数为HV（S）。2改进型PFC电路工作原理根据文献[5]提出的改进型PFC电路，如图3所示，分析该电路原理。可以将电路在整个电路周期内分解为4种状态电路图[9-12]，正弦电压正半周的等效电路如图4所示。在图4（a）电路中，交流电流对电感L进行充电，闭合开关MOS管S1，VD4受控导通，在该状态下电容CO向负载提供能量；当关闭MOS管S1，其等效电路如图4（b）所示，电感L极性反相，S2反并联寄生二极管受控导通，对负载进行供电，同时对电容CO进行充电。正弦电压负半周时，其电路工作时的等效电路如图5所示。其工作原理如下：在图5（c）电路中，MOS管S2闭合导通，流过开关管S1反并联二极管，同时电容Co向负载供电；当开关管S2关断时，等效电路如图5（d）所示，电感L的极性会反相，VD2受控导通，向负载提供能量，同时给输出电容CO提供能量，S1反并联二极管受控导通。基于以上分析，常规单周控制的功率因数校正器，在任何周期内都有3个开关器件导通，改进型的功率因数校正器在任何周期内有两个开关器件导通，由于MOS管S1和S2共同接地，故无需外加隔离电路，驱动电路简单。由于功率损耗较低，故适用于中功率和大功率应用场合。〖JP〗3改进型功率因数校正电路主要控制原理单周控制的核心思想是在每个周期内使开关变量的平均值和控制对象的参考量成比例[13]。由于开关管驱动电路简单且频率为固定不变的量，本电路设计PWM驱动电路时选择输出为两路相反的PWM电路，图6为改进型功率因数校正结构图。对于公式（9）中UP电压的采集，可以用电阻分压法采集负载端电压，与设定好的参考电压Uref用运放作差得到差值Ue，差值通过PI调节器输出Um。将得到的Um与Us作减法与运算放大器构成的积分器作比较器，当输出值达到两者之差时，比较器输出翻转，积分器同时会被复位信号复位[14]。4单周控制PI调节器设计5实验数据验证对于以上数据分析，设计一台150UA改进型单周控制的PFC样机。直流输出电压Uo=50V，负载采用直流电子负载仪器，在恒流档位状态下，电流为3A，受控MOS管开关频率为20KHz；电感L=2mH，直流侧Co=2 200uF。其输出调节参数为：τ1=25ms，τ2=8ms，τ3=3.6ms，K=3 333.3。本实验测试采用IV8711可编程直流电子负载测试仪，编程到恒流档位3A，整个系统调试电路如图8所示。未校正的电路电流波形失真十分严重，可以用THD（总谐波失真）参数的数值大小来衡量。经计算，未校正前其THD为78.4%，进行单周控制的PFC电路，校正后的功率因数下降到8.33%。利用150UA实验样机测量输入电压，电流波形图如图9所示。电流波形失真严重，系统的功率因数较低。加入改进型的功率因数校正系统后，系统波形如图10所示，输入电流波形跟踪电压，输入侧测量功率因数达到0.993。为了验证输出电路的效率问题，本电路测量了多组数据，将其效率曲线与常规单周控制的功率因数校正器的输出效率曲线进行了比较。从数据上看，加入改进型的功率因数校正系统后，提高了系统效率，如图11所示。6结语 本文采用改进型的基于单周控制的功率因数校正电路，先介绍了常规单周控制电路的系统电路图，并对单周功率因数校正电路进行原理性的推导，介绍了常规功率因数校正电路的主要设计步骤。其中有两个主要任务，一是将输入正弦半波转换成稳定的直流电压，且稳定的直流电压值比输入正弦半波的幅值稍高；二是检测输入端的电流，跟踪输入端的电压[15]。由于其在整个周期内，电路内开关管始终有3个导通，导致其效率不高。为了解决该问题，本文提出改进型的功率因数校正电路，给出了系统设计的原理图，建立了单周控制方程，并对其中最重要的PI控制器进行了设计，并用公式推导其设计思想。最后设计了一台150W基于改进型的单周控制的功率因数校正器，测量电路的电压和电流波形，与未进行功率因数校正的电路波形相比，效率提高了2%～5%。本文设计思想同样适用于单周控制的FCATS装置。参考文献：[1]毛鹏，谢少军，许爱国，等.单周期控制PFC变换器电流相位滞后及补偿[J].电工技术学报，2010，25（12）：111117.[2]WANG S，RUAN X，YAO K，et al.A flickerfree electrolytic capacitorless ACDC LED driver[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2012，27（11）：45404548.[3]WANG B，RUAN X，YAO 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