提高交-直流电源变换电路功率因素的架构设计

叶 猛, 李凯抒

(南京大学 电工电子实验教学中心,江苏 南京 210093)

0 引 言

以开关电源[1-4]为代表的各种电子电力设备在各行业的广泛应用， 既促进了经济的发展，又改善了百姓的生活，但同时会对电力系统造成严重的谐波危害[5-7]。表现在以下几方面：谐波可造成自动设备和继电装置的误操作，谐波电流会作用于电网电压使其产生畸变，严重地会破坏电力电子设备。通常，解决谐波危害方法有：用无源滤波或有源滤波电路来消除谐波，但电路修正之后功率因数还是较为低下，若采用功率因数修正技术[8]，可将功率因数提高到0.9以上。对于交-直流开关电源需满足输入电压与输入电流同相位，同为正弦波。当前，有源功率因数修正技术多数对电路仿真研究的很少，在采用或未采用有源功率因数修正下，对在不同输入电压值和输出端负载阻值的情形时, 电路仿真结果很少有进行比较和分析的，而这些会直接影响功率因数[9]修正效果，电路的稳定性。而这些正是本文所做的工作。

1 结构框图

有源功率因数修正的基本原理是：修正输入电压电流，让输入电流、电压始终保持同相位，从而使之功率因数得以提高，主电路包括滤波、整流、DC-DC变换构成。控制电路由电流误差放大、PWM比较、栅极驱动、电压误差放大和乘法器组成[10]。图1是有源功率因数修正电路框图。

图1 功率因数修正电路框图

DC-Output的电压和基准电压比较后，送入电压误差放大，电压误差输出的信号与整流输出的电压信号一起输入乘法器电路，产生的信号作为基准电流，与整流输出的电流信号一起输入电流误差放大。输出信号经过脉宽调节器加到功率开关管的栅极，从而控制该管的通断，使得整流后的输入电压与输入电流无相位差，且同频，这样可减少电流谐波造成的损害，提高功率因数。

2 主电路

主电路由滤波、桥整流、DC-DC变换及负载构成，基本原理图如图2所示。

图2 主电路部分

DC-DC电压增强变换器在主电路中的作用是最主要的，设开关管S导通时长为ton，关断时长为toff，则电路的周期T=ton+toff，可设占空比η=ton∕T，则可导出U0=1*UZ∕(1-η)(UZ为变换器的输入电压)。结论：η越大，U0就越大，若η被有效控制，则输出电压可得以控制。

3 控制电路

控制电路由电压误差放大、乘法器、电流误差放大、驱动功率管工作等构成[11-12]，如图3所示。

原理：有源功率因数修正电路之输出电压U0经过R3、R4分压得到的输出电压值，和参考值Uref经过比较后，进入电压误差放大器U1, U1的输出信号与整流后的输入电压Uin经R1、R2分压后得到输入电压检测值一并送入乘法器电路U2, 可产生基准电流, 由整流后的输入Uin取样的意义是让基准电流与整流后的电压波形同相位，基准电流信号与U3采样的电感电流检测值流经放大器U4先比较、后放大输出。输出信号与U3产生的锯齿波一起送入电压比较器U5，如此, U4的输出控制U5输出的PWM信号之占空比，强迫电感电流与其平均电流一致。如果电感电流增大，比较器U5输出的占空比就会下降，导致电感电流降低：若电感电流减小时，U5的输出占空比就上升，导致电感电流增加。当U0增大时，U1的输出下降，乘法器输出基准电流变小，电感上电流也减少，使输出电压U0减少；反之，电感电流增加，导致输出电压增大[13]。

图3 控制电路部分

本电路设计主要指标如下：输入交流电压150～270 V，输入工频50 Hz,输出电压600 V左右，输出功率约600 W。管子开关频率99 kHz。以下是全电路数据设计:提高型变换器升压电感值L=1.3 mH;输出电容 取维持时间35 ms. 则C=200 μF;功率开关管选1 000 V,160 A, 二极管选800 V,16 A,恢复时间75 ns的管子;电流取样电阻0.2 kΩ;电流峰值限制电阻R3=10 kΩ,R4=2 kΩ;前馈分压电阻R1=910 kΩ,R2=42 kΩ;乘法器外围R5=610 kΩ,R9=160 kΩ,R10=2 kΩ;振荡器C2=2 nF,R6=5.6 kΩ;电流误差补偿R7=25 kΩ,C8=390 pF,C9=62 pF;电压误差补偿C1=0.42 μF,R8(分压)=6.5 kΩ,R9=30 kΩ。

4 仿真实验

利用OR-CAD进行电路仿真与结果分析时，对一未用和采用有源功率因数修正的电源电路对比它们的输入电压、输入电流波形、谐波成分，输出电压。得出结论：前者输入电流呈脉冲状，谐波分量大，功率因数低输入电流总谐波畸变因数值1.2以上；后者输出电压基本稳定在某一数值。输入电流和电压保持同相，呈正弦状，谐波少，功因数高，谐波畸变因数值低于0.04。若将电路电感值增大些，对电路改进前后比较：输入电流纹波得到改善，如此，可增加功率因数。谐波危害可进一步降低。

两者电路在输入不同有效值电压时(150～270 V，输出负载接650 Ω)可得仿真结论：输出端电压基本保持600 V左右，纹波电压峰值小于10 V，输入电流保持与550 V，输入电压同相位谐波畸变因数小于0.03. 当输入电压为270 V时，此时的输入电流相比输入电压150 V时，要降低一些，以维持输入输入功率的恒定。所以修正过的电路能够保证输入电流正弦化以及输出电压始终稳定，获得高功率因数。

两者电路负载值不同时(负载接450 Ω,550 Ω时)，显然，输出电压是不同的，进而影响电路的性能。输入220 V，仿真结论是：若接负载阻值小，输出电压相应小，但波动不大，输入电流稍有增加。总体看来：输入电压与电流保持同相位，谐波畸变因数小于0.04，输出电压稳定在600 V。当负载继续加大，1.2、1.4、2、6 kΩ后，总体上：输入电流仍可跟踪输入电压波形，同相位，电路总谐畸因数小于0.05，输出电压较稳定，功率因数高，但负载过大时，输出电压上升很快，谐畸因数过大，输出端应设保护措施。

动态仿真分析：输入电压突变增大，则输出电压在某一瞬时点处会略有增大，后经极短的时间，电路入稳态，输出电压保持在某一电压值，输入电流与电压保持同相，仅电流幅值在输入电压增大后有所减小，为保持输出功率的恒定。若输入电压突变减小，则情况与以上相反，但输入电流还是与电压同相位，进入稳态后，输出电压恒定在某一电压值。负载阻值突变增大(保持输入电压不变)，输出电压会突升，经短时波动后保持稳定，纹波电压减小些，输入电流与电压保持同相，正弦形态，仅仅电流幅度有所减小，解决这问题的方法是适当地增大电压环路的增益。当负载值突减小时，输出电压下降，短时之后就保持恒定，纹波稍变大，输入电流与电压保持同相，幅值增加一些[15]。

5 结 语

有源功率因数修正电路控制部分是以一块芯片为核心组成的电压和电流反馈补偿电路的设计影响整个修正电路的修正精度。

仿真电路是经过检验，正确的。可根据仿真获得最佳的实际电路参数。整个电路抗变化性能强，动态性能也好，输入电流的纹波显著地降低，电路功率因数得到改善，总谐波畸变因数仅在0.04以下，达到了消除电网中的谐波不利的成分。实验中发现：开关管的开关应力较大，应着力减小开关的应力。管子过压保护设计等，这些是今后应研究的问题。

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