基于Matlab的高功率因数校正技术的仿真

1.引言

　　由近年来，随着电子技术的发展，各种办公自动化设备，家用电器，计算机被大量使用。这些设备的内部都需要一个将市电转化为直流的电源部分。在这个转换过程中，由于一些非线形元件的存在，导致输入电流电压虽然是正弦的，但输入的交流电流却严重畸变，包含大量谐波。而谐波的存在，不但降低了输入电路的功率因数，而且对公共电力系统产生污染，造成严重的电路故障。正因为如此许多国家制定了相应的技术标准，用以限制谐波电流的含量。例如IEC 555-2pIEC 61000-3-2pEN 60555-2pGB/T 4549-1993等标准，规定了允许用电电气设备产生的最大谐波电流。由此可见，由此可见消除谐波电流和提高功率因数有非常重要的意义。在整流输出电路后采用有源功率因数校正技术能够有效地解决上述问题，实现各种电源装置网侧电流正弦化，使功率因数接近1，并且极大地减少谐波电流，消除无功损耗。然而在有源功率因数校正中控制方式又分为模拟和数字控制方式，控制方式的选取对减少电流谐波和提高功率因数有重大影响。因此本文重点介绍模拟控制器和数字控制器在Boost单相功率因数校正变换电路中的应用，并论证了数字控制方式将逐步取代模拟控制方式，在不远的将来成为PFC中的主流控制方式。

　　2.有源PFC的工作模式和控制方式
　　根据电感电流是否连续，PFC电路的工作模式可分为不连续导电模式(DCM)和连续导电模式（CCM）。DCM模式的PFC电路一般用于电压控制型而且功率小于200W，CCM模式的控制方法比较复杂，一般用于电流控制型并且功率大于200W以上的PFC电路。有源PFC电路的电流控制型控制方式分为峰值电流控制，滞环电流控制和平均电流控制，本论文中选用的控制方法是平均电流控制法。

　　3.功率因数校正的必要性

　　一般开关电源的输入整流电路部分为图1所示：

图1 整流电路图

　　例如在离线式开关电源的输入端，AC电源经全波整流后，一般接一个大电容器，以得到波形较为平直的直流电压。整流器-电容滤波电路是一种非线形元件和储能元件的组合。因此输入交流了电压虽然是正弦的，但输入交流电流波形却严重畸变，呈脉冲状，其结果可以由如图１所示整流电路在Matlab的Simulink中仿真结果得到验证。从图2可以看出，输入电流

图2 整流电路输入点压电流仿真图

　　发生了严重畸变。因此，大量应用整流电路，要求电网供给严重畸变的非正弦电流，造成的严重后果是：谐波电流对电网有危害作用，输入端功率因数下降。为了消除电流谐波和提高功率因数，必须在电路整流后加入功率因数校正电路。应用最广泛的是单相Boost有源功率因数校正变换电路，如图３所示。

图3 单相Boost功率因数校正原理图

　　在上述单相Boost功率因数校正电路中，最关键的部分是控制系统的设计，控制方式的选取又是控制系统设计的核心。控制电路可以一般选用模拟控制器和数字控制器,下面将详细的分析模拟控制器和数字控制器在单相Boost功率因数校正电路中应用。

　　4.模拟控制PFC的实现

　　4.1模拟控制的PFC模型[1]

　　单相Boost功率因数校正电路中的模拟控制方法应用比较广泛，目前已经有现成的商业化集成电路芯片，如TI/Unitrode公司的 UC3854，Fairchild公司的ML4812以及Stmicroelectronics公司的L6561等，图4是基于UC3854的模拟控制电路结构方框图。图中Boost变换器工作在连续导电模式下，其电感电流就是输入电流。电感电流被采样并被控制，其幅值与输入电压同相位的正弦参考信号成正比，从而达到功率因数校正的目的；乘法器方式PFC电路还可以根据输出电压反馈信号，利用一个乘法器电路来控制正弦参考电流信号，从而获得可调整的输出电压；同时，也具有输出电压的平均值。实际上模拟控制器可以概括为两个控制环，内环电流环，作用是使输入电流跟踪输入电压，外环电压环，作用是稳定输出电压。

图4 Boost PFC模拟控制原理图