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单相有源PFC 新型控制策略的研究

作者:时间:2012-07-23来源:网络收藏

  功率因数校正(A) 技术被广泛地应用在开关电源、变频家电等领域,在消除谐波电流污染方面起到了非常重要作用。迄今为止,出现了多种 控制算法,如常规乘法器算法、电压跟随器算法、单周期控制器算法等,它们都有一定的优、缺点和不同适用范围。本文根据功率因数校正的工作原理和物理含义,推导了一种新型直接控制算法,并进行仿真分析和试验研究进行验证。如果输入电压和输出功率已知,该直接控制算法还可以进一步简化。另外,在保证良好功率因数校正的前提下,为了很好地表征各种 算法的支持输出功率能力,提出了调功范围的概念。此外,随着智能电网技术、分布式发电技术的发展和应用,出现了单相标准正弦电压源、准正弦电压源、交流方波电压源以及直流电压源,为了提高这些电源的利用率和改善微网的供电状况,上述电压源都必须采取功率因数校正技术,即提出了所谓的方波交流PFC 和直流PFC 等概念。

  1 单相APFC 直接控制算法的原理

  传统PFC 的工作原理的实质是:在每个开关周期中,借助功率开关S1 有规律的通断过程,通过整流桥和电感L 将电源uac短接,使得电感L 储存能量,然后将全部储能或者部分储能释放到负载侧的直流电解电容,同时获得同步正弦的输入电流波形和稳定的直流输出电压。传统PFC 的是电流闭环( 内环) 和电压闭环控制( 外环),可以获得很好的控制效果。但是,对于采用模拟控制的APFC,同一套参数很难兼顾轻载与重载时校正效果。

  单相交流输入电压方程为:


  单位输入功率因数时输入电流方程为:


  为了分析方便,近似地认为输出直流电压u0 =U0,纹波电压为零,开关周期为Ts,开关频率为fs,占空比为d,则根据BooST 型DC /DC 变换器的输出与输入电压的关系,得:


  当单位输入功率因数时输入电流时,式(1) 可以改写为:


  忽略高频分量时,式(2)可以近似改写为:


  式(3)可以近似改写为:


  式中,

  可以看出,k 为整流桥后级等效电阻的函数,成正比关系,即与电感电流基波部分有效值( 即输入电流有效值) 成反比关系,比例系数为。理论上,k 的取值范围为k∈(0,+ ∞ )。这样,可以通过检测电感电流有效值和电网电压有效值的变化,推出Ri、k 的变化量,从而得到占空比d 的计算公式。

  根据式(4),可以采用MCU 存储不同输入电压有效值时APFC 系统的占空比与电感电流有效值的关系曲线;然后,根据测量电感电流有效值来实时计算或查表计算占空比。

  对于分布式发电或数码发电等应用,由于交流电压为高质量的交流正弦波电压、交流方波电压或直流电压,即APFC 的输入电压稳定,通过只检测电感电流有效值,就可以直接计算占空比,此时无需检测输出电压,这就是输入交流电压与输出直流电压均不检测的APFC 的工作原理。参考单相正弦交流电源的功率因数概念,为了提高电源的利用率,输入电流波形应该与输入电压波形相似,从而提出了方波交流PFC 和直流PFC 等概念,方波交流PFC 即输入电压为交流方波电压的PFC,直流PFC 即输入电压为直流电压的PFC。

  由于该算法能够直接计算PFC 的占空比,因此,具有校正效果好、支持功率范围宽等优点。表面看来,该控制算法由于检测电感电流有效值,存在滞后现象。为了提高快速性和保持稳定性,可以采用滑动平均滤波算法。为了表征APFC 系统支持输出功率的能力,提出调功范围概念,即保证良好功率因数校正时,APFC 系统能够支持的最大输出功率与最小输出功率之比。

  当输出电压U0设置不变,而且输入电压有效值也不变时,随着负载的增加,输出电压瞬时值有下降的趋势,输出电流会上升,电感电流瞬时值上升,此时可以减少k,增大总体占空比,结果输入电流有效值增加,输出电压恢复到设定值,获得新的稳定工作点。同理,可以分析输入电压与输出电压变化时的情况。

  2 仿真验证

  根据式(4),建立无输入交流电压、输出直流电压检测的单相APFC 的Simulink 仿真平台,如图1、图2 所示。输入电压为额定AC 220 V,设定输出电压为DC 365 V,升压电感取值为1. 0 mH,直流电解电容为5 600 F,交流吸收电容为2. 0 F,分流电阻为5 mΩ,负载为设计的可调电子负载。

单相有源PFC 新型控制策略的研究

图1 单相交流正弦APFC 的仿真电路。

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图2 单相交流方波APFC 的仿真电路。

  仿真结果表明了有关理论分析的正确性,功率因数校正效果非常良好,表现出很宽的调功范围。

  交流正弦电压输入时,输出功率为10 kW时,输入电压与输入电流波形如图3 所示。此时,k = 0. 85,输出直流电压平均值为355 V,纹波电压峰峰值为15 V。

单相有源PFC 新型控制策略的研究

图3 重载下输入电压与输入电流的仿真波形(10 kW)。

  交流正弦电压输入时,输出功率为100 W时,输入电压与输入电流波形如图4 所示。此时,k = 9. 5,输出直流电压平均值为365 V,纹波电压峰峰值为2 V。

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图4 超轻载下输入电压与输入电流的仿真波形(100 W)。

  交流方波电压输入时,输出功率为6. 6 kW时,输入电压与输入电流波形如图5 所示。

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图5 重载下输入电压与输入电流的仿真波形(6. 6 kW)。

  3 试验验证

  设计制作了6. 6 kW 的单相交流正弦电压输入的数字有源PFC 的功率模块,整流桥采用2 只25 A/100 C 扁型整流桥并联,功率开关采用单只80 A/100 C 的SGL160N60UF,FRD 采用单只40 A/100 C 的FFAF40U60DN,升压电感选择40 A的1. 9 mH 硅钢电感,交流吸收电容选择3. 3 F /275VAC 的无感电容,电解电容选择6 只680 F /400 VAC 的电解电容并联,核心控制器选择NEC 1 6 bit PD1 8 F 1 2 0 1 ,固定开关频率为20 kHz。

  经过大量的硬件与软件调试,最终实现了输入交流电压150 ~ 265 V、输出直流电压平均值365 V、适合输入频率50 Hz /60 Hz 的数字PFC 功率模块,最小输入电流低于0. 5 Arms、最大输出直流电流接近40 Arms 的情况下均能获得接近1的输入功率因数,谐波电流分布符合标准IEC61000-3-2: 2000 和IEC 61000-3-12: 2005。其中,输入电压AC 220 V、输入电流有效值33. 23 A、电网频率50 Hz 时输入电压与输入电流波形如图6所示。

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图6 输入电压与输入电流的实测波形。

  4 结语

  提出了单相有源PFC 的直接控制算法,分析了其工作原理,特征如下:无需输入电压的检测,校正效果良好、设计简单,便于数字实现;同时,能够支持更大功率输出,具有良好的应用前景。当已知输入电压、输出功率和效率的情况下,无需输出直流电压


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