有源功率因数校正技术研究

陈树君，吴日光，陈建辉，于 洋

(北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院术研究所，北京 100024)

有源功率因数校正技术研究

陈树君，吴日光，陈建辉，于 洋

(北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院术研究所，北京 100024)

介绍了有源功率因数校正电路的三种boost拓扑方案——硬开关、无源软开关和有源软开关，并采用三种拓扑分别研制了4 kW功率因数校正装置，对三种拓扑方案做了效率、谐波畸变率、功率因数、EMI测试，对比分析测试结果，总结了各自的优缺点，对三种拓扑的适用场合给出了建议。将研究的有源功率因数校正装置应用于单相逆变焊接电源，并在实际焊接情况下对电源进行了输入性能测试，结果表明所测装置性能良好，整个焊接过程中输入电流连续变化，呈正弦波状，能够跟随负载的波动实时响应，完全达到了功率因素校正的目的。

功率因数；硬开关；无源／有源软开关；EMI

0 前言

近年来，电能变换技术得到了飞速发展，已广泛应用于电力、冶金、煤炭、通信、家电等领域。现代电能变换装置一般都是直接通过整流器与电力网连接，并使用大容量滤波电容器，所以存在输入电流谐波高、从电网吸取无功功率、整流效率低等缺点。近几年来，为了符合国际电工委员会61000-3-2的谐波准则，有源功率因数校正(APFC)技术因其效率高、控制方法相对简单、成本低、体积小、适应性强的特点得到人们的普遍重视，成为研究热点。目前针对传统BOOST PFC电路的研究主要有两个：一个是拓扑结构的进一步完善；二是控制方法[1]。其中拓扑结构主要是针对硬开关，无源软开关和有源软开关的研究，但各自都存在着一些优缺点，到底在什么场合应用哪一种拓扑结构值得商榷。

随着弧焊设备相关谐波标准在欧洲的推出，我国也应该积极应对。弧焊设备的功率相对较大，要求系统的响应速度较快，所以对弧焊设备的功率因数校正技术提出一些相对不同的要求，这样就增加了设计的难度。但是相对三相设备而言，单相电源的谐波抑制是有很多电路可以借鉴的。

针对单相输入电源，对硬开关、无源软开关和有源软开关三种拓扑结构进行简要介绍和分析，并分别采用三种拓扑研制出4 kW功率因数校正装置，对三者进行效率、谐波畸变率、功率因数、EMI测试，对比分析测试结果，总结了各自优缺点，给出各自适用场合的建议。最后针对焊接电源，对本研究的有源功率因数校正装置进行了输入性能测试，结果表明该装置达到了功率因数校正的目的。

1 三种拓扑结构实验装置介绍

分别采用三种拓扑结构完成实验装置，其中控制方法统一采用平均电流型控制，控制芯片采用的是TI公司的UCC3818和UC3855，其核心都是基于乘法器的平均电流控制，三种主电路拓扑的控制系统是根据其典型应用电路实现的，其中硬开关和无源软开关通过UCC3818实现，有源软开关通过UC3855实现。

1.1 传统硬开关BOOST PFC

通常是在桥式整流之后，增加一个Boost电路，如图1所示，通过对输出电压和电流进行采样，经过运算后来控制功率元件的开关，使输入的电流变成与电网电压完全同相的正弦波，可以使电流畸变率降到5%以下，功率因数提高到0.99或更高。

图1 传统硬开关BOOST PFC

该电路功率器件少，成本低廉，但存着两个问题：一是二极管反向恢复电流；二是开关管的开通关断损耗。另外MOS管在开通关断时，特别是开关频率较高时，存在较大损耗[2-3]。

1.2 无源软开关BOOST PFC

如图2所示，相对传统的BOOST PFC，该电路多了一个电感、二极管和电容。工作原理是：在开关管中串入一个电感，当开关管开通时，由于电感电流不能突变特性从而实现开关管VF1的零电流开通和二极管VD6零电压关断，减小di／dt，并且当开关管关断时，电流通过二极管VD5给电容C1充电，由于电容电压不能突变特性从而实现开关管VF1零电压关断，减小du／dt。从而减小开通关断损耗和反向恢复损耗。

图2 无源软开关BOOST PFC

该电路功率器件相对较少，控制相对简单，但二极管VD5损耗较大，需要选择速度较高的二极管。

1.3 有源软开关BOOST PFC

有源软开关BOOST PFC电路原理如图3所示，该电路增加了一个辅助开关管VF2，只在主开关管开通前的一小段时间内导通，以实现主开关管的零电压开通。工作原理是：当辅助开关管开通时，电感L2电流线性上升到最大值时，通过二极管VD7的电流降到零，实现二级管VD7零电压关断，L2上的电流因L2和C1的谐振而继续增加，C1电压下降直至VF1的反并联二极管(MOSFET的体二极管)导通。此时，VF1两端电压为零，在这个时候辅助开关VF2管关断，主开关管VF1开通，从而实现VF1零电压开通，当VF1关断时，由于并联在两端的电容C1电压不能突变，从而实现VF1的零电压关断。

图3 有源软开关BOOST PFC

该电路大大降低了主开关的开通关断损耗，也解决了二极管VD7反向恢复问题，但辅助开关管VF2仍然是硬开关，会产生较大损耗，控制电路相对较复杂，成本较高[3-4]。

2 测试结果与分析

分别采用电源质量分析仪-FLUKE 43B、示波器-Agilent 54624A，对所研制的三种具有不同拓扑结构的功率因数校正装置进行了测试，三种电路的功率电路主要器件参数相同，测试功率范围为500～4 000 W。针对凯尔达的S-200单相焊机进行了输入性能测试。

2.1 输入功率测试

三种拓扑方案对谐波抑制的效果相当，下面以无源软开关BOOST PFC为例进行测试。在输入功率为500 W和4 000 W时，用电源质量分析仪-FLUKE 43B测得的输入电压和输入电流波形如图4、图5所示，对应的电流谐波如图6、图7所示。

图4 输入功率为500 W的电压、电流波形

图5 输入功率为4 000 W的电压、电流波形

图6 输入功率为500 W的电流谐波

可以看出，输入电流为正弦波，随着输入电流的变化，电流畸变率也很小，实现了功率因数校正的目的。

图7 输入功率为4 000 W的电流谐波

2.2 系统效率、电流畸变率和功率因数测试

图8～图10分别是硬开关拓扑、无源软开关拓扑、有源软开关拓扑统一在输入电压Uin＝220 V，输出电压Uout＝400 V时测到的系统效率、全功率因数、电流谐波畸变率随输入功率变化的曲线图，输入功率500～4 000 W。

图8 系统效率

图9 全功率因数

从效率曲线总体上来看，在3 000 W以下，系统效率由高到低依次为：硬开关、无源软开关、有源软开关；之后随着功率继续增加，系统效率变成有源软开关最高，无源软开关其次，硬开关最低。从试验结果分析来看，这是因为MOSFET的损耗主要是由开通损耗引起的，关断损耗很小，而硬开关拓扑由于本身存在升压电感，所以在MOSFET开通的时候可以起到抑制电流的作用，一定程度上降低损耗；而无源软开管虽然起到了降低软开关开通关断损耗，但是附加的电感、电容在能量的转移过程中也会损耗；而有源软开关虽然可以实现主开关的完全软开通，但是它的辅助开关管是硬开关，存在损耗。所以到底谁的效率高，实际上与系统的输出功率有很大关系。

图10 电流畸变率

由图9和图10可知，三者的电流畸变率都是随着功率的增加而逐渐降低，其中无源软开关最小，而功率因数则逐渐增加，其中硬开关和无源软开关的功率因数一直保持在99.9%不变。但是有源软开关电流畸变率较大，这主要是因为辅助开关管的导通在一定程度上影响了主开关的占空比，从而造成校正效果变差，输入电流谐波含量相对增大，功率因数较低。硬开关电流畸变率比无源软开关高的主要原因是硬开关电路du／dt、di／dt较大，存在着EMI问题，对系统造成一定的影响，而无源软开关正好解决这个问题，所以无源软开关的电流畸变率最低。

2.3 EMI测试

在统一输入功率2 000 W时用EMC分析仪AGILENT E7401A分别对三种拓扑结构实验装置进行传导骚扰测试的结果如图11～图13所示，对三者的测试结果进行对比，如图14所示。从中可以看出它们在低频率范围内，产生的EMI没有多大区别，但是在高频段，硬开关拓扑的产生EMI最大，无源软开关拓扑其次，有源软开关拓扑最小。

图11 硬开关拓扑EMI测试

图12 无源软开关EMI测试

图13 有源软开关拓扑EMI测试

图14 三种拓扑EMI测试结果对比

三种拓扑结构在成本、调试难易度和功率器件温升测试的比较，如表1所示。

表1 三种拓扑结构在成本、调试难易度和功率器件温升测试的比较

3 实际焊接情况下输入性能测试

采用电流霍尔传感器对带有无源软开关APFC装置的焊接电源(焊条电弧焊，焊接规范80 A)和不带APFC装置的焊接电源进行了实际焊接情况下输入电流和输出电流对比测试。

(1)带有APFC装置的焊接电源的输入电流和输出电流测试。在单相焊接电源接上APFC装置之后，在实际焊接工程中测试波形如图15、图16所示。其中图15为引弧时的输入电流和输出电流波形，图16为焊接过程中的输入和输出电流波形。结果表明，虽然在起弧瞬间输出电流有很大尖峰，但是采用了APFC，使输入电流变为正弦波，消除了电流尖峰，抑制了EMI，减小了对电网的干扰。在图16中可以看到在整个焊接过程中输入电流连续变化，呈正弦波状，能够跟随负载的波动实时响应。

图15 带APFC引弧时的输入电流和输出电流波形

图16 带APFC焊接过程中的输入和输出电流波形

(2)不带APFC装置的焊接电源的输入电流和输出电流测试。其中图17为引弧时候的输入电流和输出电流波形，图18为焊接过程中的输入和输出电流波形。结果表明，在起弧瞬间输出电流有很大尖峰，在整个焊接过程中输入电流不连续，呈尖角波状，电流峰值很大，畸变严重，对电网造成严重干扰。

图17 不带APFC引弧时的输入电流和输出电流波形

图18 不带APFC焊接过程中的输入和输出电流波形

4 结论

针对BOOST PFC的三种拓扑结构，建议在小功率(1 500 W以下)运用硬开关拓扑结构，中等功率(1 500～3 000 W)用无源软开关拓扑结构，大功率(3 000 W以上)用有源软开关拓扑结构，综合考虑在单相中小功率焊接电源上应用时采用无源软开关比较合适。在单相焊接电源接上功率因数变换器之后，进行了输入性能测试，从结果可以看到，在整个焊接过程中输入电流连续变化，呈正弦波状态，能够跟随负载的波动实时响应。

[1]任 凌.有源功率因数校正技术综述[J].电源世界，2005 (11)：32-35.

[2]张利娟.基于UC3854的两级有源功率因数校正电路的研究[D].西安：西安理工大学，2008.

[3]李 燕.单相弧焊逆变电源的功率因数校正技术[D].北京：北京工业大学，2003.

[4]杨延军.弧焊电源的单相功率因数校正[D].吉林：吉林大学，2006.

Technology research of active power factor correction

CHEN Shu-jun，WU Ri-guang，CHEN Jian-hui，YU Yang
(College of Mechanical Engineering＆Applied Electronics Technology，Beijing University of Technology，Beijing 100124，China)

A brief description and analysis are introduced for three boost topology solutions，including hard switching，passive soft switching and active soft-switching of active power factor correction circuit，Using three topology developed 4 kW power factor correction device，do the tests for efficiency，harmonic distortion，power factor，EMI with the three topology programs and have a comparative analysis of test results，summarize their advantages and disadvantages，give the proposal where they apply.This studies about the active power factor correction device of the paper used in single-phase inverter welding power source，do the test for the input performance of power source in the case of the actual welding，the results showed good performance of the measured device，the current is continuous changes with sinusoida wave during the welding process，be able to real time response following load fluctuations，fully meet the power factor correction purposes.

power factor；hard-switching；passive／active soft switching；EMI

TG434.1

A

1001-2303(2012)03-0018-05

2011-11-15

陈树君(1971—)，男，山东日照人，教授，博士，主要从事电力电子技术与电磁兼容性、特种焊接工艺及设备应用方面的科研和教学工作。