基于单相交错式并联PFC的Saber仿真应用研究

范立荣，孙丰涛，李 辉

（珠海格力电器股份有限公司，广东 珠海519070）

0 引 言

随着电力电子技术的发展，电力电子技术装置在工业、农业、国防、科技等领域都得到了广泛的应用，但电力电子技术装置本身属于非线性设备，这些非线性设备的大量使用给用电设备带来的公共谐波污染不可忽视，并在一定程度上影响了电网供电质量和用户的使用安全。因此，功率因数校正是目前比较流行的一个专业术语，它的作用不仅仅是提高线路或系统的功率因数，更重要的是可以解决电磁干扰（EMI）和电磁兼容（EMC）问题［1］。

PFC分为有源PFC和无源PFC两大类，无源PFC虽然结构简单，成本低，但是输出直流DC电压纹波大，质量较差，功率因数也不能做的很高［2］，因此电流谐波成分并不能完全达到国家对谐波的要求，因此目前较流行的是有源PFC技术。

传统的Boost APFC虽然在1～3 k W的功率范围可以达到最佳的设计效果，但由于EMI滤波器和电感体积较大，使得它应用在3 k W以上的电路优化设计中会变得很困难，而且它不能适应全负载范围高效的要求。面对这些挑战，交错式PFC能很好地解决这些难题。

Saber软件是美国Synopsys公司开发的一款EDA软件，它为复杂的混合信号设计与验证提供了一个功能强大的混合仿真器，可以解决从系统开发到详细设计、验证等一系列问题［3］。本文充分利用Saber的数模混合仿真功能（可以兼容模拟、数字、控制量的混合仿真）对6 k W两路交错并联CCM Boost PFC进行了仿真应用研究。

1 交错式PFC原理

本文使用Boost PFC变换器拓扑结构为主电路的有源PFC电路，实际应用中交错PFC控制芯片可采用安森美的NCP1631或TI的UCC28070。图1给出交错并联PFC拓扑原理图。

图1 交错并联Boost PFC拓扑结构图

交错式PFC控制是将工作频率相同的多个开关功率变换器单元交错连接的控制策略。在每个开关周期内，每个开关功率变换器单元都只工作相同的时间，但是工作的时间和顺序在这个开关周期内呈现有规律的交错状态［4］。这种控制策略能在不增加功率开关器件和损耗的前提下，有效降低系统功率总线电流纹波的幅值，提高了功率总线电流纹波的频率，因此也可以简化输入EMI滤波器的设计。

2 基于Saber的交错式PFC电路仿真

2.1 参数计算

本文设计参数规格如下：

输入电压：Uin＝172～270 V，额定电压为220 V（考虑电网电压±20%波动），PFC输出电压Upfc＝410 V，电网频率为50 Hz，最大输出功率Pout＝6 000 W，PFC效率η＝0.90，开关频率fs＝200～300 k Hz，这样可以使功率级主电路小型化，为了减小失真，保持高效率，这里采用200 k Hz。

电感的大小决定了输入端纹波电流的总量。因此可按照给出的纹波电流值来计算电感值。设最大峰值电流Ipk为

电感中的纹波电流通常选择在最大峰值电流的20%左右，电感值根据输入电压和开关频率的占空比来选择，占空比D的计算公式为：

则最小电感值公式为：

取L1＝L2＝400μH，式（3）中fs为开关频率，ΔI为纹波电流峰峰值。

通常选择大电解电容作为输出电容，和输出电容选择相关的参数有开关频率fs，纹波电流峰峰值ΔI，直流输出电压Uo，输出纹波电压ΔU和维持时间Δt。维持时间是指在输入电源被关闭后，输出电压仍然保持在规定范围内的时间，通常取15～50 ms，这里可以取为15 ms，则电容值为：

仿真取2 820μF。

开关管是速电压型，其反向恢复时间为200 ns，击穿电压为600 V，正向电流有效值为50 A，选用IXFN64 N60P。

2.2 系统原理图

如图2所示，系统由2个电流内环和一个电压外环构成，开关管暂用Saber中理想开关管sw1＿l4＿1代替，每个Boost电感都工作在恒频、恒调节占空比的模式，能够自动实现输入的功率因数校正。在一个开关周期内，开关管Q1的驱动信号滞后开关管Q2的驱动信号半个周期。因此，总线上的电流为每个单元电感电流之和。在相同输出功率条件下，纹波的幅值会减小，且纹波的频率增加为开关频率的二倍，因此能大大减小输入滤波器的体积和每个开关管上的电流应力，特别适用于大电流、低电压场合。

2.3 系统仿真

2.3.1 直流分析

DC分析旨在为系统找到电路的工作点，即为系统提供一个静态工作点，图3给出进行DC分析的部分结果。

2.3.2 瞬态分析

利用Saber软件对图2电路进行瞬态仿真分析（进行瞬态分析之前必须先进行DC分析），Saber的数模混合仿真要注意模拟量与数字量之间的转换，模拟量是有量纲的，而数字量是无量纲的，因此在转换成数字量时必须通过v2var（电压变换成数字）或i2var（电流变换成数字），反之同理，同时设置好电压外环与电流内环的PI及抗饱和积分限幅数。图4上方粗实线即为PFC输出电压采样波形，从图4可以看出，PFC采样电压稳定在2.5 V上下（偏差0.15 V），说明输出电压基本稳定；图4下方波形即为整流输出采样电压波形。

图5为输入电压采样与2电感支路电流波形，此波形是从交流全波整流后采样得到的正弦半波。此波形通过相关运算进入电流测定比较器，控制电感电流使之跟踪交流输入电流。从图5可看出，2支路电感电流均能很好跟踪交流输入电流，从而达到控制功率因数的目的。

图2 交错并联Boost PFC Saber仿真原理图

图3 DC分析部分结果

图4 PFC输出与整流输出采样电压波形

图6 为驱动上下开关管的驱动电压与2支路电感电流波形，从图6可以看出，DRVA与DRVB两路移相180°驱动信号，最小占空比为0.4488，2支路电感纹波分别为3.2503 A和3.2102 A，相差0.04 A左右，可见2路电感取值相同时对各个支路纹波影响较小。

图5 交流输入电压与2电感支路电流采样波形

图6 2路驱动信号与2路电感支路电压波形

图7 （a）为输入总电流与2支路电感电流波形，图7（b）为其展开波形，从7（b）放大后可以看出，2电感支路纹波电流分别为2.279 3 A与2.282 6 A，而总电流纹波电流为1.4484 A，即通过交错式PFC控制，能使2支路电感纹波电流相互抵消，从而使总电流纹波下降。

图7 输入电流与2电感支路电流波形

图8 为输入电压与输入电流波形，从中可以看出，输入电流波形与输入电压波形反相，输入电流波形能很好地跟踪输入电压波形，电流畸变率已经很小（仅在开关关断时有毛刺），因此验证了交错式PFC在中大功率（超过3 k W）上应用的优越性。

2.3.3 参数扫描分析

以上仿真是建立在2路电感参数完全一致的情况下，但实际中由于材料及加工工艺的不同，2路电感不可能完全相同。因此为考虑2路电感有偏差的时候对其支路及其输入电流纹波的影响，对L1或L2任一进行参数扫描分析，如图9是其设置框图。对L1进行参数扫描，考虑±10%的误差，对L1取值从360μH到440 μH进行扫描，每次步进40μH，即分别对L1＝360 μH、400μH和440μH进行3次瞬态分析，观察2路电感取值存在一定误差时对其支路电流和输入电流纹波的影响，图10是取L1＝440μH即影响比较明显的波形。

图9 对电感L 1进行参数扫描设置

图10 取L 1＝440μH时2支路电感电流与输入电流局部波形

从图10可以看出，2电感支路纹波电流分别为2.5305 A与2.526 A，较之前的2.2793 A与2.2826 A明显增大，且总输入电流纹波变为5.7061 A，较电感支路相同的1.4484 A增加显著，因此交错式PFC控制2电感支路电感必须上下对称（即电感取值误差不能超过±10%，应在尽量小的范围）。仿真发现，2支路电感若在±5%范围内对其输入电流纹波影响不大。

2.3.4 FFT分析

利用Saber仿真软件可以方便地对其进行FFT分析，在瞬态分析取得足够长的周期（保证FFT分析时数据采样的准确）时，可进行FFT分析，观察输入电流的TDH及各次谐波电流的幅值是否满足要求，图11是其FFT分析波形。

从图11可以看出，基波幅值为42.719 A，其余各次谐波均为基次谐波（2 N－1，N从1开始），无偶次谐波，利用Saber的图形观测器测得其前30次谐波幅值如表1所示。

图11 FFT分析波形

从表1可以看出，前20次谐波幅值均在0.50 A以上，20次以后均小于0.50 A，因此主要滤除20次以内的基次谐波，而20次以内又主要以滤除3、5、7、9、11、13次，因此计算前20次谐波畸变率为：

表1 FFT分析各次谐波幅值

即THD＝4.7%，小于GB（＜5%）要求，因此设计满足要求。同时为进一步减小谐波，可以在电源输入侧加装滤波器进行滤除。关于前面EMC滤波器设计，因本文主要研究交错式PFC设计，故这里不再介绍。

3 结束语

本文主要借助Synosys公司强大的数模混合仿真软件对单相交错并联式PFC电路进行了深入的仿真应用研究，在分析单相交错式PFC原理的基础上利用Saber仿真软件对6 k W两路交错式PFC先是进行了详细的设计和参数计算，之后通过Saber仿真，使设计达到了要求。同时仿真结果不仅验证了交错并联式PFC原理的正确性，而且对于缩短开发周期，降低设计成本及软件的工程调试也有一定的指导意义。

［1］ 杨潮晖.Boost－PFC电路拓扑和数字控制的研究［D］.哈尔滨：哈尔滨工业大学硕士学位论文，2010.

［2］ 鲁 晔，郭颖娜，程为彬.基于Saber的Boost APFC电路设计与仿真［J］.模拟应用，2009，02：21－23.

［3］ 朱娟娟.基于Saber的单相Boost电路仿真与设计［J］.科技广场，2007，11：213－215.

［4］ 刘 晟.有源功率因数校正的新型控制策略研究［D］.南京：河海大学硕士学位论文，2007.