新型三相单开关功率因数校正器的研究

周倩倩，张波涛，刘振兴*

（1.武汉科技大学信息科学与工程学院，武汉430081；2.武汉科技大学计算机科学与技术学院，武汉430081）

新型三相单开关功率因数校正器的研究

周倩倩1，张波涛2，刘振兴1*

（1.武汉科技大学信息科学与工程学院，武汉430081；2.武汉科技大学计算机科学与技术学院，武汉430081）

为解决传统三相单开关功率因数校正器输入电流谐波较大的问题，设计了一种新型拓扑结构的三相单开关升压型PFC（Power Factor Correction）电路。通过在Boost电感和整流桥之间插入合适电容构成二阶滤波器，虽然控制算法不变，但可以在保证功率因数不变的前提下优化输入电流THD（Total Harmonic Distortion）。基于对电路原理的简要分析，建立MATLAB仿真模型，再以TMS320F28335为控制核心，搭建Boost PFC变换器的实验平台。仿真和实验均表明该方案可行，实验电路测试的输入电流THD值小于10%，具有实际应用价值。

功率因数校正；单开关Boost变换器；二阶滤波；THD优化

传统的AC-DC电力电子变换器一般由二极管或晶闸管组成的整流电路构成，工作时会产生大量的电力谐波，给电网造成谐波污染及能量浪费。有源功率因数校正（APFC）技术，亦即主动式功率因数校正，采用高频开关工作模式，可以减小电流谐波，提高功率因数［1］。与无源方式相比，它具有体积小、重量轻、功率因数高等优点。为保证电网安全、有效、经济运行，三相有源功率因数校正技术将获得更加广泛的应用，也逐渐成为电力电子方向的研究热点。

三相有源功率因数校正电路有多种拓扑结构和控制方法［2-6］。三相六开关Boost型PFC变换器可以实现高功率因数，输入电流谐波很小。缺点是使用开关数量较多，控制复杂，特别适合于大功率场合［3］。

DCM型APFC电路能对输入电流自动整形，有自然的零开通特性［7］，所需电感值较小，控制简单，但其谐波含量高，功率因数低的弊端却阻碍了它进一步发展。三相单开关boost型APFC电路必须工作在电感断续模式，文献［8］采用谐波注入法调制变换器开关的占空比，但注入的谐波信号与输入电流谐波存在一定的相位差，会影响抑制电流谐波效果。文献［9］提出一种新型的变开关频率控制方法降低输入谐波，但EMI滤波器的设计较复杂。

收稿日期：2015-06-25修改日期：2015-08-20

此外，Boost电路结构简单，易于控制实现，但开关管的开通和关断并非理想状态，随着工作频率的提高，开关损耗也会增大。文献［10-12］利用软开关技术，实现主、辅开关管的零电压零电流开关，降低开关损耗。本文以三相单开关Boost电路为研究对象，基于LC谐振电路的三相整流器［13］，提出了一种新型拓扑结构，可以大大降低输入电流谐波，克服传统单开关Boost变换器的不足。

1　电路拓扑及原理分析

1.1主电路拓扑结构

本文研究的三相单开关Boost型功率因数校正器的主电路如图1所示。其中，La、Lb、Lc均为储能电感且相等，三相电容Ca、Cb、Cc用于无功补偿，且与升压电感构成二阶滤波器。V为单管控制开关，工作于PWM方式，处于零电流开通状态，且不承受二极管的反向恢复电流，开关损耗小。Cd是直流滤波电容，使工频周期内输出电压基本保持不变。该Boost型APFC电路工作模式为断续导电模式（DCM）［14］，输入电感电流峰值基本与输入电压成正比，因此，输入电流波形自然地跟随输入电压波形，输入功率因数高。该电路所需要的电感值较小，控制电路也相对简单，可以满足中小型功率开关电源低成本的需求。

图1　主电路拓扑结构

2.2.工作原理

假设输入电压为对称平衡无失真的正弦波，则

其中，Um和ω分别是输入电压幅值及角频率。

这里，以A相为例分析该电路原理，其等效电路如图2所示。为便于分析各个工作模态，需作出如下假设：全部电感、电容、二极管和开关管均为理想器件；开关频率必须远大于电网频率，以保证在开关管V的一个开关周期内输入电压恒定不变，这样Boost电路才能成立。电路主要有如下3种工作模式。

（1）t=t0时刻，开关管V开通，输入电容开始充电，升压电感La处于储能状态。Ca两端的电压线性上升，充电结束时，Ca的峰值电压正比于电源电压。电容Cd储存的能量向负载传送。

（2）开关管V关断后，由于电感电流不能突变，续流二极管导通。输入电容放电，升压电感La和电源一起供电给负载，Cd处于充电状态。

（3）t=toff1时刻，开关管仍关断。输入电容的放电过程结束。电感La和负载一起传输能量给负载。其中，图3为电容Ca的电压波形。

图2　A相等效电路图

图3　电容Ca的电压波形

2　系统建模及仿真

2.1主电路仿真

本文仿真模型是在Matlab/Simulink模块中搭建的，方便实用，精度较高，不需要再单独建立各模块的模型，可以快速验证系统的可行性和控制算法的有效性。在Matlab/Simulink环境下，PowerGUI是一个用于分析电源系统模型的有效图形用户界面接口，其FFT工具可用于分析输入电流谐波。电路仿真参数如表1所示。

表1　电路仿真参数

2.2主要参数计算

该系统为保证较高的功率因数，降低输入侧三相电流谐波，输入储能电感及滤波电容的选择必须满足系统各方面要求。此外，由于本电路采用恒定开关频率fs、导通时间Ton不变的PWM控制，为消除低频纹波，直流滤波电容必须足够大，稳定输出电压。

2.2.1升压电感的选择

额定输入电压升压比

对于电流不连续工作模式DCM，开关管V的导通时间应满足［15］，

在设计时要留有充分余地，可取最大值的80%，则

直流输出电流

图4　M与L（/Um2Ts/P0）的关系曲线

2.2.2电容的选择

该系统利用三相滤波电容与升压电感构成LC滤波器，且谐振点正好在开关频率附近，从而使谐振时整流桥后部分电路造成短路，以避免谐波折回电网。这里取谐振频率f=13 kHz，

由此得出

其中L=0.039 mH，则C=Ca=Cb=Cc=4 μF。

2.3仿真结果

由于电路采用三相对称输入电压，这里可取A相电压电流进行分析。未加电容时，滤波后A相输入电流与电压波形如图5所示。加入电容电路改善后，图6为滤波后A相输入电流与电压波形。其中，实线为电流波形，虚线为电压波形。可以看出，输入电流的峰值包络线与电压波形相同，相位上一致并跟踪输入电压，与理论分析结果基本一致。

为方便分析，表2列出了主要谐波含量。可以看出，电流中主要有5次、7次谐波，其中，5次谐波含量最多，并决定了电流的THD。在加入电容后，5次谐波大大降低，虽然输入电流7次谐波有所增加，但总谐波得到明显改善。

图5　加电容输入电流与电压波形

图6　电容输入电流与电压波形

表2　电流谐波含量（仿真）

该电路输出直流电压波形如图7所示，通过大电容滤波，系统运行稳定后，可实现输出120 V稳定直流电压。

图7　输出直流电压（仿真）

3　实验验证

为了验证本文提出的新型三相单开关BOOST 型APFC电路的优越性，利用实验室现有装置进行实验验证，设计了相应的控制方案和驱动电路。其主要参数为，调压器输入交流电压32 V/50 Hz，开关频率15 kHz，直流输出电压120 V，输出功率533 W。

3.1输入电流波形

图8～图9分别为未加电容和加电容改善后的输入电流实验波形。显而易见，未加电容时，电流波形存在一个缺口，这正是五次谐波电流含量高造成的。采用新型拓扑结构的电路后，输入电流更接近正弦，THD也得到提高。表3列出了实验电流THD值及各次谐波含量百分比。

图8　实验电流波形（未加电容）

图9　实验电流波形（加电容）

表3　实验电流谐波含量

3.2输出电压波形

图10给出了最后输出直流电压波形，与仿真结果一致，基本实现120 V直流电压。

图10　实验输出直流电压波形

3.3实验装置图

作者设计的新型三相单开关实验装置如图11所示。

图11　实验装置图

4　结术语

本文提出了一种新型三相单开关功率因数校正器的拓扑结构，并从建模仿真和实验验证两方面都体现了该电路拓扑结构的有效性和可行性，不仅可以降低输入侧电流谐波，还能稳定输出纹波较小的直流电压。由于该变换器具有结构简单、可靠性高、功率因数较好、实现简单等显著优点，在中小型功率应用领域有良好的应用前景。

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周倩倩（1992-），女，汉族，湖北荆州人，硕士研究生，武汉科技大学信息科学与工程学院，主要研究方向为控制理论及应用，开关电源及功率因数校正技术，757493412@qq.com；

刘振兴（1965-），男，汉族，湖北武汉人，教授，现于武汉科技大学信息科学与工程学院任教，主要研究方向为控制理论及应用，新型电力传动系统，故障诊断技术与应用，信号与信息处理，zhenxingliu@wust.edu.cn。

Research on a Novel Type of Three-Phase Single Switch Power Factor Corrector

ZHOU Qianqian1，ZHANG Botao2，LIU Zhenxing1*
（1.School of Information Science and Engineering，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China；2.Computer Science&Technology Institute，Wuhan University of Science and Technology，Wuhan 430081，China）

In order to solve the problem of high input current harmonic in conventional three-phase single-switch power factor corrector（PFC），a novel topological structure of three-phase single switch boost PFC circuit is proposed.Appropriate capacitor is inserted between boost inductor and rectifier bridge which can constitute second-order filter，although the control algorithm remains unchanged，it can optimize the input current THD（Total Harmonic Distortion）with high power factor.Initially，based on a brief analysis on the circuit principle，MATLAB Simulink model is built.Then the Boost PFC converter experiment platform is set up with the DSP TMS320F28335.Finally，the simulation and experimental results show that the design scheme is feasible，the measurement of the experimental circuit achieves that the THD is less than 10%，and this converter is proved valuable.

power factor correction；single-switch Boost converter；second-order filter；THD optimizer control

TM46

A

1005-9490（2016）03-0709-05

EEACC：815010.3969/j.issn.1005-9490.2016.03.040