有源功率因数校正电路的研究与实现*

王瑜,高文根

(安徽工程大学 安徽检测技术与节能装置省级实验室，安徽 芜湖 241000)

有源功率因数校正电路的研究与实现*

王瑜,高文根

(安徽工程大学 安徽检测技术与节能装置省级实验室，安徽 芜湖 241000)

电力电子换流装置的正常工作依赖市网供电，然而其内部存在的AC-DC模块却很容易使输入电流发生畸变，针对导致的谐波污染和用电安全问题，在分析了升压型有源功率因数校正电路工作原理的基础上，提出了一种以NCP1654芯片为核心的有源功率因数校正电路的设计方法，并先后完成样机电路设计、主要元器件参数的计算与选择、仿真分析、样机测试；仿真与样机测试结果显示，该有源功率因数校正电路控制简单，功率因数高，电流波形失真小，可以实现谐波的消除和输入电流相位的校正，提高了系统的电能效率与功率品质，保证了电网和电气设备的经济安全运行，达到了国内技术监督局和国际电工委员会要求的电网谐波标准。

换流装置；有源功率因数校正；功率因数；谐波

0 引 言

通常的电力电子设备都是由市网220 V交流供电的，因此存在一个前级AC-DC电路[1]。考虑到成本低和使用简单的原则，这种电路一般都是由4个二极管构成的不可控整流桥和滤波大电容并联搭建的，而非线性元件和储能元件的组合对输入电流不具有可控性，而且电容电压不能发生突变，从而当输入电压高于电容两端电压时，二极管才能导通，反之则不导通。由于这一现象的出现，使得电流的波形发生了畸变，其绝对值在电源电压峰值附近才能存在。电流畸变成窄脉冲状后其有效值大于平均值，所以市网提供的功率要大于负载实际吸收的功率，导致整块电路的输入功率因数下降。而含有大量谐波的窄脉冲电流倒灌进市网，既会造成输入电压的畸变，破坏用电品质，也会造成电网线路的事故，迫使设备出现安全隐患。

为了提高市网供电设备的功率因数(PF)，以达到优化节能的效果，也为了保证市网的供电质量，以提高电网的可靠性，就必须限制整流电路输入端谐波电流分量。为此，我国也制定了国标GB/T 1762513-41。这就要求用电设备在接入电网时必须进行功率因数校正(PFC)。

目前的PFC主要存在无源和有源两种技术方向。第一种方向(PPFC)充分利用无源器件，用电感电容组合滤波的方式有效改善PF、减少谐波危害，可以使PF提升至0.7以上，但缺点是对谐波的抑制效果不够理想，尺寸大、重量大，难以得到满意的PF，只能用于功率要求不大的电源系统；而第二种方向(APFC)是在二极管组成的整流桥之后主动接入一块直流转换电路，通过PWM波的方式控制开关管的通断，进而控制输入电流波形，使输入电流和电压波形相位一致，从而实现PFC的功能[2-4]。APFC技术可以做到功率因数接近1，相比无源PFC功率因数要高很多，而且开关管电流有效值小，抑制谐波效果好，因此得到了广泛应用。

APFC常用的拓扑结构有四大类。分别为降压式、升/降压式、反激式、升压式。但在实际工程使用当中，第一种拓扑结构控制电压不稳定，输出波形较差，对开关管的要求高，因此技术上难以达到使用的标准；第二种拓扑结构使用的高频元器件个数较多，电路结构设计困难，应用难度高；第三种拓扑因为电气隔离的作用安全性较高，控制和应用也相对容易，但该拓扑只能在功率要求较低的情况下使用，因此具有一定局限性;第四种拓扑结构的特点是电流型控制，PF值高，总谐波失真(THD)小，当输入电流连续时易于EMI滤波，能够应对各种功率要求，因此成为了工程中最满意的选择[5-6]。

本文从有APFC的技术出发，对其工作原理进行了分析，并完成了硬件电路设计、主要元器件参数计算选择和软件仿真验证，最后采用NCP1654作为主控芯片实现了样机研制。该样机控制简单，外围器件少，仿真与实验结果显示其具备功率因数校正的要求。输入电流跟随电压，不再出现窄脉冲状波形，且电流电压相位保持了一致，验证了电路功能的完整实现。

1 升压型有源功率因数校正的工作原理

1.1 功率因数的概念

电力电子设备在运行的过程，有功功率P提供了设备运行使用所需的电功率，无功功率Q提供了磁性元件建立磁场所需的电功率，视在功率可以表示为

(1)

功率因数(PF)体现了有功功率P在视在功率S中所占的比重，具体表示如下：

(2)

其中，Ur是输入电压的有效值，Ir是输入电流的有效值，Ir1是输入基波电流的有效值，α是输入电流与电压的相移角。

现实中经过整流桥，输入电流往往不再为正弦交流波形，因此不仅存在基波分量，同时还存在着各次谐波分量，具体公式如下：

(3)

其中，Ir2…Irn是输入电流中的二次到n次谐波电流有效值。

谐波畸变率TTHD：

(4)

联立式(2)(4)可得：

(5)

由式(5)可知，FPF值的大小只与TTHD、α的大小相关。为了使FPF趋近于1，需要TTHD趋近于1而α趋近于0。因此可以看出，提高功率因数可以从两个方面进行考虑，一方面是高次谐波的消除，使得输入电流正弦化，另一方面是电流相位的校正，使得输入电流电压相位一致。在工程设计中，APFC技术主要运用在整流桥之后的直流变换电路上，作用于输入电流，通过对其波形的时刻调整，使其最终趋近于正弦波的同时又与输入电压同频同相，由此提高功率因数，达到功率因数校正的要求。

1.2 升压型有源功率因数校正的工作原理

升压电路的拓扑结构如图1所示，在一个周期内分为两个阶段[7-8]。第一阶段MOS管Q导通，电路从市网获得的能直接作用于升压电感L，L上的电流持续增大，续流二极管VD反向截止，L储存电能。此时的负载R由支撑电容Co维持供电。第二阶段MOS管关断，VD正向导通，L上的电流不断减小，负载由市网获得的能量和L中储存的电能同时供电。

图1 升压电路拓扑结构Fig.1 Boost circuit topology

升压型功率因数校正电路作为一种高频开关电路，在控制原理上与传统的开关电路并无不同，都是采集电路中电压电流信号，在控制单元中运算，通过改变驱动的PWM波控制MOS管动作，达到控制要求。而对于这个双闭环控制单元，电压外环包括电压误差放大器VA和模拟乘法器M[9]。因为1型系统可以完美跟踪阶跃信号，所以只需一个额定的输入参考电压，就能得到稳定的输出电压波形。电流内环是由电流比较器CA、PWM生成器和驱动构成，作为2型系统也能完美跟踪阶跃信号，而锯齿波信号的变化相对较慢，因此对于正弦信号也可以实现完美追踪。电压反馈信号从电路的输出侧采集，电流反馈信号从电路串接的采样电阻上采集。

原理上，单相交流电经过整流桥后，变成脉动电压，通过升压拓扑电路后，输出经支撑电容后传递给负载。VA采集输出电压Uo与参考电压Uref进行比较，产生的电压误差信号Ue送入M中，此时M中的另一个输入为整流之后的电压Ub，M输出到电流内环的参考电流Iref同为整流后的脉动状波形，这便保证了电流与电压波形的一致性。CA有了参考电流Iref后，与主电路集来的电流信号IC比较后，产生的平均电流信号Ie再与锯齿状载波信号在PWM比较器中进行比较，通过占空比的改变，控制MOS管Q的开关。

整个过程中，控制信号实时追踪整流桥之后的周期性电压变化，每个周期都由主电路电流环控制着MOS管的开关。在采用平均电流控制的方法上，工作频率是固定的，反馈得来的IC信号与Iref比较后，在CA中进行平均化处理，因此每一个周期内的输入电流平均值决定了MOS管开关的占空比[10-12]。平均电流控制方法使电路对抗噪声不敏感，减小了谐波畸变率，具有广泛的应用价值。

2 电路设计与元器件参数计算选择

2.1APFC电路设计

设计的主要指标参数如下：输入交流电压Uin：133～265 V；功率Po：300 W；输出电压Uo：385 V；变换器电源效率η：0.9。采用NCP1654为主控芯片的升压型有源功率因数校正电路在硬件上为3个部分，分别为市电整流滤波电路、传统升压电路、APFC控制电路。如图2所示，市电整流滤波电路从市网接入交流电后，在整流桥之前先后两次由X、Y型电源电容滤波，其间经过EMI滤波器，该滤波器由共模电感和差模电感构成。共模电感是一个封闭磁环上对称绕制的两个匝数相同的线圈，但其方向相反。差模电感是一个普通的单向线圈电感。二者的配合使用可以有效滤除共模差模噪声，让整块电路避免了电磁干扰。在不可控整流桥之后，电压呈现脉动状波形并由电容滤波趋于平稳。如图3所示，传统升压电路由升压电感L、续流二极管VD1和MOS管Q构成。VD2为浪涌二极管，VD2跨接在L和VD1两端，当尖峰浪涌时，通过导通使后面的滤波电容对电压进行吸收，避免了MOS管直接接受尖峰电压的冲击，保证了器件和电路的正常工作。输出端接入并联的有极性与无极性电容，作用是为了达到最好的滤波效果。与此同时，这些电容还起到在MOS管导通时维持负载供电的作用。如图4所示，APFC控制电路是以NCP1654为主控芯片的典型电路，NCP1654芯片是一款专门应用在升压型功率因数校正电路的高性能控制器，具有控制简单，外围器件少的优点。它采用连续导通模式下的平均电流控制方法，而且提供了一套可配置的保护功能，其中包括自动恢复和故障闭锁、欠压过压、短路保护等。本次电路设计在功率密度和开关损耗的综合考虑后选择了芯片200 kHz固定开关频率。在电路搭建过程中，芯片的DRV引脚输出PWM波，控制着MOS管的通断，CS引脚通过采样电阻R1采集主电路电流IC，BO引脚通过电阻R3、R4、R5、R6的分压作用采集整流后的Ub，FB引脚通过电阻R8、R9、R10的分压采集Uo。

图2 市电整流滤波电路Fig.2 Power rectifier filter circuit

图3 传统升压电路Fig.3 Traditional boost circuit

图4 APFC控制电路Fig.4 APFC control circuit

2.2 主要元器件的参数计算与选择

整流桥在整个电路中起到交流电转换成直流电的作用，这也是功率因数值降低需要校正的根源所在。整流桥主要引起了电流的畸变，因此衡量整流桥能否适用的最主要条件就是输入电流Iin。电路实际工作过程中，Uin越低，相应的Iin就越高，因此最大输入电流的有效值Iin,max可满足：

(6)

Uin的最大值为265 V，考虑到一定安全裕度，所以选择型号为KBU8G的整流桥，其额定电压400 V、额定电流8 A。

输出电容Co放置于电路的末端，可以参与滤波，使脉动的输出电压更加平稳。而从升压电路的工作过程考虑，MOS管开通的时候，负载的供电需要用输出电容去维持，因此从能量的角度出发，每个周期需要维持的能量Wh由公式可知：

(7)

其中，A为交流电压的相数，本电路设计的输入电压为单相，因此相数是1。f为市网工频50 kHz。带入计算可得Wh=6.67J。

输出电容可以提供的能量表达式为

(8)

其中，Co为输出电容的容值，带入计算得出Co=126 uF。由此决定了两个电解电容C8、C9的大小为64 uF,无极性电容配合滤波，大小选择10 uF和100 uF两种即可。

升压电感L在电路中起到传递、储存能量的作用，是功率因数校正能够成功的核心元器件。作为磁性元件的电感，在电路设计中很可能存在非标的情况。因此在计算时应当充分考虑到峰值电流Ipk、有效电流Irms和电感值L等3个参数。

电流的有效值Irms=Iin,max=2.5 A。峰值电流表达式为

(9)

电感值L满足公式：

(10)

其中，1%在电路的实际应用中通常取25%～45%，本设计取30%。fs为开关频率，设计中选择了200 kHz，由此代入得L=280 uH。

续流二极管VD1保证了MOS管关断后电路输入端获得的电能可以和L中的电能一起负载供电。而Co一般较大，所以VD1必须可以达到高于输出电压的最大反向电压385 V的要求。而VD1的电流应当大于电感峰值电流3.5 A。出于安全裕度的考虑，设计中可以选择型号C3D03060A的二极管，其额定电压600 V、额定电流5.6A。

MOS管Q的通断决定了电流波形追随电压波形的成败，也决定了电路控制的实现。在参数计算与选择上应该考虑其接受的最大直流电压和最大电流的能力，最大直流电压UDS由公式可知：

UDS=Uo+20%Uo=462 V

(11)

而最大电流为3.5 A，由此可以选择型号为TPH3002PS的氮化镓MOS管，其额定电压为600 V，正常工作温度下的额定电流为6 A。该MOS管由于制作材料和工艺较为先进，因此开关性能较传统MOS管更为优异，可以更快地响应PWM信号。

3 升压型有源功率因数校正桥电路的实现

3.1 仿真分析

为了验证有源功率因数校正电路设计的正确性，本文在样机制作之前，利用Matlab-Simulink搭建了仿真平台[13-16]。图5所示为市电仅经过整流滤波，并未进行功率因数校正的波形图，可以看出此时的电流波形呈现窄脉冲状，畸变十分严重。图6所示为按照设计要求搭建的升压型APFC电路工作以后，Iin波形得到改善，此时电流的尖端失真问题得到了解决，Uin与Iin波形相似，呈正弦状，相位也保持一致，由此证明了APFC的功能的实现。图7所示为电路的输出电压波形，可以看到在经历一段很短的超调和震荡之后，电压波形稳定在385 V前后，纹波较小，基本达到设计要求。

图5 APFC前的电流电压波形Fig.5 Current voltage waveform without APFC

图6 APFC后的电流电压波形Fig.6 After APFC current voltage waveform

图7 APFC输出波形Fig.7 APFC output waveform

3.2 样机实现

通过仿真对设计进行可行性验证，本文由之前原理图绘制出PCB[17]，并研制出了一台升压型功率因数校正电路的样机。如图8所示，研制出的样机外观体积小，在测试过程中工作性能可靠。图9为MOS管的开关波形和电路输出波形，可以看出PWM波有效控制开关管的通断，使APFC工作状态正常，运行稳定，纹波率较小，稳压效果优异。

图8 样机调试Fig.8 Prototype debugging

图9 MOS管开关波形和电路输出波形Fig.9 MOSFET switching waveform and circuit output waveform

图10为样机测试的输入电压和输入电流，二者都是整流桥前的实时波形。可以看出，输入电流具备很高的跟踪性，可以有效地追随输入电压的变化而变化，并且相位始终保持一致。由此确定了样机的功率因数校正功能良好，电路性能优异。

图10 样机实测电流电压波形Fig.10 The measured current and voltage waveform

4 结 论

针对电力电子变流装置输入电流畸变的缺点，研究了一种升压型有源功率因数校正电路。在分析了有源功率因数校正工作原理的基础上，完成了实验样机的电路设计、主要元器件的参数计算与选择、仿真验证、实验测试。仿真与实验结果表明了输入电流的畸变得到了很大的改善，波形、相位与输入电压基本保持一致，显示出样机达到了功率因数校正的要求，验证了设计方法的有效性与可靠性。

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Research and Implementation of Active Power Factor Correction Circuit

WANGYu,GAOWen-gen

(Anhui Key Laboratory of Detection Technology and Energy Conservation Devices,Anhui Polytechnic University,Anhui Wuhu 214000,China)

The normal operation of the power electronic converter is dependent on the supply of the power network.However,the internal AC-DC module is very easy to cause the distortion of the input current.Aiming at the problems of harmonic pollution and electrical safety,based on the analysis of the operating principle of power factor correction,taking NCP1654 as the core,this paper puts forward a design method of power factor correction circuit,and the circuit design of the prototype,the calculation and selection of the parameters of the main components,the simulation analysis and the prototype test are completed.The simulation and experimental results show that the power factor correction circuit has the advantages of simple control,high power factor,low total harmonic distortion of current waveform.The elimination of the harmonic and the correction of the input current phase can improve the power efficiency and power quality of the system,and ensure the economic and safe operation of the power grid and the electrical equipment,achieve the power grid harmonic standards requirements of the domestic Technical Supervision Bureau and the International Electrotechnical Commission.

electronic converter; active power factor correction; power factor; harmonic

TM46

：A

：1672-058X(2017)05-0075-07

责任编辑：罗姗姗

10.16055/j.issn.1672-058X.2017.0005.013

2017-03-24；

：2017-05-18.

国家高技术研究发展计划(863计划)项目(2015AA050608).

王瑜(1991-) ，男，安徽淮南人，硕士研究生，从事电力电子研究．