单相Boost有源功率因数校正电路的研究

黄灿胜，蒋志年

（广西民族师范学院，广西 崇左 532200）

单相Boost有源功率因数校正电路的研究

黄灿胜，蒋志年

（广西民族师范学院，广西 崇左 532200）

基于平均电流模式控制技术，设计并制作了一台1 kW单相Boost有源功率因数校正装置。功率因数校正系统设计采用双闭环控制方法，电流内环实现样机输入电流跟踪输入电压按正弦规律变化，电压外环维持输出电压不变。实验结果表明，实验样机可获得高功率因数，电流畸变小，并且样机动态响应速度快、抗干扰能力强。

功率因数校正；Boost变换器；平均电流控制模式；双闭环控制

随着电力电子技术的发展，大量电力电子装置作为负载接入电网，产生大量的谐波电流，造成电网谐波污染，严重影响电网的供电质量，并对接入电网的其它设备造成危害。目前功率因数校正技术是减小甚至消除电网谐波污染的最好方式。功率因数校正技术可分为无源功率因数校正技术[1]和有源功率因数校正技术[2]。无源功率因数校正技术采用无源器件电感、电容构成滤波器，减小电网谐波，但其工作频率为工频，滤波器体积庞大，且不能实现高功率因数。有源功率因数校正技术通过控制有源器件（如功率开关管）的开通与关断的时间，迫使输入电流跟随输入电压按正弦规律变化，实现功率因数校正，并获得稳定的输出电压。有源功率因数校正技术工作频率高，其体积有效减小，可获得高功率因数，且电流畸变小，所以是解决电网谐波污染问题最具吸引力的方法。

本文以Unitrod公司设计生产的专用平均电流控制功率因数校正芯片UC3854为核心，设计并研制了一台1 000W的单相有源功率因数校正装置。装置采用电流内环、电压外环的双闭环控制方法[3]，通过负反馈控制实现输入电流跟踪输入电压按正弦规律变化，提高装置功率因数，并稳定输出电压。

1 电路工作原理

1.1 有源功率因数校正

随着电力电子技术的发展，有源功率因数校正技术不断涌现出新型的拓扑结构，常见的有：降压式(Buck)APFC、反激式(Flyback)APFC、交错并联式APFC、无桥式APFC、升压式(Boost)APFC。其中升压式APFC如图1所示，其输入电流连续，电流纹波小，易于进行EMI滤波；输入电感L可以抑制电路的快速瞬变，可增强电路的可靠性；输出电压高于输入电压，可应用于输出高压场合，是目前应用最广泛的拓扑类型。

图1 Boost升压电路

目前，APFC常用的控制方式有峰值电流控制、滞环电流控制和平均电流控制等，其中，平均电流控制的电流畸变率小、电磁干扰易处理、对噪声不敏感、不需进行谐波补偿、且易于进行均流，适用于高功率场合。鉴于此，本文基于Boost升压主电路，采用平均电流控制技术来实现有源功率因数校正，其原理如图2所示。其基本工作原理是：输出电压经电压误差放大器得到的电压误差信号，与检测的输入电流信号、检测的电压信号一起送入乘法器，得到电流环的给定信号并送入电流误差放大器的同相输入端，与采样得到的输入电流进行比较，输出的电流误差信号送入PWM比较器，与一定幅值的三角谐波进行比较，产生PWM信号并经驱动电路控制开关管的开通与关断。

1.2 控制环路的设计

Boost升压电路有两个储能元件：电感L和电容C，因此为二阶系统。为了简化系统的设计，可将控制对象进行降阶处理[4]。本文采用电流内环、电压外环的双闭环控制方式，按先内环后外环的设计原则。

第一步优化电流内环，其控制框图如图3所示。如果系统的开关频率远大于电流环的截止频率，工程上为5～10倍，甚至10倍以上，则从电流环看输出电容上的电压维持不变，其相当于一个受控电压源，此时电流环控制对象简化为一阶系统，如式（1）：

图2 平均电流控制APFC原理图

图3 电流环的控制框图

PWM比较器传递函数如式（2）：

由图2得电流调节器传递函数，如式（3）：

则电流环的传递函数如式（4）所示：

第二步设计电压外环，其控制框图如图4所示。电压外环的截止频率受电流环截止频率的限制，一般取电流环截止频率的五分之一以上。另一方面，对于功率因数校正拓扑来说，电压外环的截止频率还受限于电网整流后所得正弦半波电压的频率（100 Hz）。因此，选取的电压外环截止频率远远小于电流内环，从电压外环看向电流内环，电感相当于一个恒流源，电压外环的控制对象可简化，如式（5）所示：

图4 电压外环的控制框图

由图2得电压调节器的传递函数，如式（6）：

则电压环的传递函数如式（7）所示：

2 电路实现

设计的单相有源功率因数校正装置主电路为常规Boost升压电路，控制电路以Unitrod公司生产的单周控制专用芯片UC3854为核心，装置具体性能指标有：输入电压80～270 V，AC 50 Hz；输出功率1 000W；输出电压400 V/DC，开关频率100 kHz；功率因数0.99。

2.1 电路的设计过程

依据电路的性能指标及工作原理，给出关键点参数的设计过程，具体如下：

（1）经计算电路的峰值电流为10 A，开关管上的管压降为输出电压400 V，在留有裕量的前提下，选取开关管的型号为ATP5025，耐压500 V，额定电流25 A；选取的功率二极管为快恢复二极管，型号DSEP30-60A，耐压600 V，额定电流30 A。

（2）电感值的大小主要取决于开关频率及电路输入峰值电流的纹波，为了保证电路工作于连续模式，一般取纹波电流大小为最大输入峰值的20%，通过计算，本设计所选电感值大小为0.5mH。

（3）输出电容在开关管关断时向负载提供能量，维持输出电压不变，所以输出电容需足够大。工程上输出电容的典型值为每瓦特1～2μF，本设计取两个450 V/560μF电容并联获得1 120μF电容。

（4）控制电路环路的设计应遵循先内环后外环的原则。本文所选开关频率为100 kHz，则电流环的截止频率选取10 kHz，为了满足45°的相频域度，电流调节器的零点放在电流环截止频率处。为了增强抗干扰能力，其极点放在开关频率处；电压外环的截止频率受限于电网整流后所得正弦半波电压的频率，则本文电压外环截止频率选取10Hz。

2.2 电路仿真及实验结果分析

在Matlab/Simulink软件中搭建平均电流模式的APFC模型进行仿真，仿真结果如图5、图6所示。图5为未校正前大电容滤波的整流器网侧输入电压（粉红色）、电流（绿色）波形，电流波形为尖峰脉冲，功率因数低。图6为加入APFC后网侧输入电压、电流波形，由图可见电流跟踪电压按正弦规律变化，功率因数高。

为了验证仿真结果，实验室搭建了一台1 000W实验样机，并测试了样机关键点的实验波形。图7为未校正前网侧输入电压与输入电流波形，图8为校正后网侧输入电压与输入电流波形。实验证明，大电容整流滤波后加入APFC可以有效提高功率因数。图9为开关管驱动电压GS及漏源极电压DS波形。

图5 未校正前输入电压电流波形仿真

图6 校正后的电压电流波形仿真

图7 未校正前输入电压、电流波形

图8 校正后输入电压、电流波形

图9 主开关管驱动电压、漏源极电压波形

3 结论

本文基于平均电流控制技术，采取电流内外和电压外环的双闭环控制方案，优化系统设计，并制作了一台1 000W单相APFC实验样机。实验结果表明，装置输入电流可以有效跟踪输入电压按正弦规律变化，输入电流畸变小，输出电压恒定；装置功率因数高，抗干扰性能好，动态响应快。

[1]熊腊森，万升云，余爱民.电源谐波无源功率因数校正方法的研究[J].电焊机，2003，33(12)：26-27.

[2]金祖敏，刘宇.单级桥式有源功率因数校正变换器拓扑研究[J].电力电子技术，2007，5(8)：4-6.

[3]郑越，石晓丽，黄付刚.双闭环控制策略的有源功率因数校正电源研究[J].电源世界，2007(11)：36-39.

[4]杨汝.平均电流模式的控制电路的设计[J].电力电子技术，2002 (4)：66-69.

Research of single-phase Boostactive power factor correction circuit

HUANG Can-sheng,JIANG Zhi-nian

Based on the average current control technology,an 1 kW single-phase Boost active power factor correction circuitwas designed and implemented.The double close-loop controlwas employed in the PFC systems. The internal current loop controled the input current of the converter so that the input current followed the sine curve of the rectified input voltage.The externalvoltage loop could achieve constant output voltage.Experimental results proved thathigh power factor and little current distortion can be realized.Meanwhile,the converter has high dynam ic response and strong anti jamm ing capability.

power factor correction;Boost converter;average current controlmode;double close-loop control

TM 743

A

1002-087 X(2014)05-0938-03

2013-10-20

广西教育厅科研项目(200103YB144)

黄灿胜(1970—)，男，广西壮族自治区人，工程师，主要研究方向为电子信息技术。