Boost变换器在单相功率因数校正技术中的应用

李仁贵，荣 军，刘 凯，常 波，杨 璐

(湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳 414006)

Boost变换器在单相功率因数校正技术中的应用

李仁贵，荣 军，刘 凯，常 波，杨 璐

(湖南理工学院信息与通信工程学院，湖南岳阳 414006)

简要的介绍了Boos 变换器的工作原理，将其应用于单相功率因数校正电路中，给出主电路参数的计算过程，在MATLAB仿真软件中对其进行了建模和仿真。仿真结果表明Boost变换器除了能升压作用之外，还能实现功率因数校正的目的。

Boost变换器 斩波电路 功率因数校正 建模与仿真

0 引言

众所周知，升压斩波电路(Boost变换器)主要功能就是将一种直流电压变换成另外一种直流电压，能够提升电压，在一些需要直流电源的应用场合应用非常广泛。Boost变换器除了具有升压的功能之外，还有一个非常重要的应用领域，比如在功率因数校正领域[1]。目前使用的开关电源其输入端采用不控整流器和大电感以及滤波电容进行滤波，造成严重谐波干扰，影响了电网的正常工作，另外采用不控整流器以及大电感以及大电容滤波，造成电容网侧的功率因数下降到60%以下，电网质量严重受损。所以世界各国采用了多种功率因数校正(PFC)方法，限制开关电源的谐波污染[2]。本文首先阐述Boost变换器的工作原理，然后将其应用于单相功率因数校正电路，给出了主要参数的计算过程，最后在MATLAB中对其进行了建模和仿真。

1 Boost变换器变换器主电路拓扑及工作原理

Boost变换器的电路图以及工作波形图如图1(a)和(b)所示[3]。当开关管V处于导通状态时，图中二极管VD关断，电流流向电源E、电感L以及开关管V，此时电源E把能量储存在电感L中，而电容C将先前存储的能量通过电阻R释放。由于输出C值很大，基本能够保持输出电压u0为恒值，记为U0。设V处于开通状态时的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为EI1ton。当V处于关断状态时，此时的电流流向为电源E、电感L，二极管VD以及R，此时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。设V处于断态的时间toff，则在此期间电感L释放的能量为(U0-E)I1toff。当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即

上式中T/ toff≥1，很明显输出电压大于输入电压，故称该电路为升压斩波电路，也称之为Boost变换器。

图1 Boost变换器电路及工作波形图

2 Boost变换器在单相功率因数校正电路中的应用及参数计算

Boost变换器在单相功率因数校正电路中的工作电路如图2所示，功率因数校正的目的就是使交流输入电流跟随输入电压，使其功率因数接近于1。

图2 Boost变换器在单相功率因数校正电路中的电路

3.1 升压电感L的设计

电感将决定在输入侧高频纹波电流的大小，且它的值与纹波电流的大小有关。电感值由输入侧的交流电流峰值来决定。由于最大的峰值电流出现在线电压为最小值,负载最大时,所以有：

假如允许电感电流有20%的电流脉动，则有：

电感值是由半波整流最低输出电压时的电流峰值在此电压时的占空比D以及开关频率所决定的。因此首先确定占空比D的取值，其计算公式如下：

为了方便起见，电感值被四舍五入而以整数0.2 mH代替。

3.2 输出电容CO的设计

PFC电路的输出电容的选择计算公式如下所示：

式中：Pout——负载功率；Δt——电容维持时间，取40 ms；VO——输出电压；VO(min)——维持负载工作的最小电压。

3 单相Boost功率因数校正电路在MATLAB中的建模与仿真

3.1 Boost单相功率因数校正电路在MATLAB/ Simulink中的仿真模型

单相不控整流未加入Boost功率因数校正电路和加Boost功率因数校数校正电路在MATLAB/Simulink的仿真模型分别如图3和图4所示，其中图4是采用有源功率因数校正闭环控制系统[4,5]，它主要由电源、滤波电路、升压电感、负载以及控制电路组成。在图4所示的仿真模型中，闭环控制电路是整个建模仿真的核心，在这里本文做详细说明：三角波发生电路由时钟Clock l 、采样保持器ZOHl 、复合器Mux2以及通用表达式Fcn3 构成，采样时间为0.00002 s ，得到开关频率为50 kHz 、幅值为2.5 的锯齿披。电压滤波器由常数Constant l 、加法器Add l 、传递函数ransfer Fcn l 和饱和器Satuation2 组成，完成对负载电压的检测与给定电压的比较、滤波和放大。输入交流电压波形检测部分由正弦波发生器Sine Wave l 、求绝对值器Abs l 和通用表达式Fcn4 组成，其中Sine Wave l 的幅值为0.05 V ，与电源VS l 波形和相位完全一样，Fcn4 负责补偿过零补偿。上述两者结果经过乘法器Product l 相乘后的乘积为输入参考电流信号，与电压表VM2 检测得到的电感电流信号相比较作为电流PI 调节器的输入。电流PI 调节器由传递函数Transfer Fcn2 、饱和器Satuation2 、通用表达式Fcn5 组成，Fcn5 负责改善输入电流波形，得到的结果通过Mux3 复合和通用表达式Fcn3 与锯齿披相比较得到PWM 脉冲，驱动Mosfet l 开通与关断PI 调节器由传递函数Transfer Fcn2 、饱和器Satuation2 、通用达式Fcn5 组成，Fcn5 负责改善输入电流波形，得到的结果通过Mux3 复合和通用表达式Fcn3 与锯齿披相比较得到PWM 脉冲，最终驱动Mosfet l开通与关断。

图3 未加入Boost功率因数校正电路的仿真模型

图4 加入Boost功率因数校正电路的仿真模型

3.2 仿真结果分析

在仿真模型搭建完毕后对其仿真，校正之前和校正之后的交流输入电压和输入电流仿真波形分别如图5和图6所示，从图5可以看出未校正之前输入电流发生畸变，图5中发生畸变的是输入电流，其值超过输入电压时由于仿真设置中将输入电压除以20，即缩小了20倍。而图6所示的仿真波形为校正之后的交流输入电电压和电流仿真波形，从图6很明显可以看出输入电流很好的跟随输入电压，达到了功率因数校正的目的。

图5 未校正之前输入电压电流仿真图

4 结论

综上所述：Boost 变换器除了能将一种直流电压变成另外一种更高的直流电压之外，还能应用在单相功率因数校正技术中，能够将整流器的输入电流校正成为与电网电压同相位的正弦波，消除了谐波和无功电流，因而能将电网功率因数提高到近似为1。

图6 校正之后输入电压电流仿真图

[1] 路秋生. 功率因素校正技术与应用[M]. 北京∶ 机械工业出版社, 2006.

[2] 蓝希清, 胡立坤, 卢子广. 基于SVG的功率因数校正系统研究[J]. 计算技术与自动化, 2014, 33(3)∶ 22-26.

[3] 王兆安, 刘进军. 电力电子技术[M]. 北京∶ 机械工业出版社, 2000.

[4] 荣军, 李一鸣. Boost ZVT-PWM变换器在单相功率因数校正的应用[J]. 船电技术, 2010, 30(9)∶ 31 -34.

[5] 洪乃刚. 电力电子和电力拖动控制系统MATLAB 的仿真[M]. 北京∶ 机械工业出版社, 2006.

The Application of Boost Converter to Single Power Factor Correction

Li Rengui, Rong Jun, Liu Kai, Chang Bo, Yang Lu

(Department of Information and Communication Engineering, Hunan Institute of Science and Technology, Yueyang 414006, Hunan, China)

The paper briefly introduces the principle of Boost converter, and applies the circuit to the single-phase power factor correction circuit. It gives the calculation process of main circuit parameters, and carries out modeling and simulation by the simulation software of MATLAB. The simulation results show that the Boost converter can achieve the objective of power factor correction in addition to the boost effect.

boost converter; chopper circuit; power factor correction; modeling and simulation

TM46

A

1003-4862(2015)08-0032-04

2015-05-07

李仁贵（1993-），男，本科在读。专业方向：自动化专业。