有源PFC控制系统设计

李晓萌

（佛山市顺德区郑敬诒职业技术学校 广东 佛山 528000）

【摘要】  功率因数是电力系统的一个重要技术指标，功率因数越高，电网利用率越高，对谐波抑制的越好。有源PFC功率因数校正可以通过控制算法，提高功率因数，减少谐波对电网对干扰。这里重点介绍有源PFC控制及控制算法概要。

【关键词】  有源PFC 控制算法

【中图分类号】  G712               【文献标识码】  A   【文章编号】  1992-7711（2019）13-172-03

一、PFC控制基本概述

■功率因数POWER FACTOR

功率因数一般定义为实际功率与视在功率的比值：

pf=■

此处，P为实用功率，Vrms和Arms是有效值电压和电流。当负载呈现纯阻性时，实际功率和视在功率相等，功率因数等于1;若存在相位失真和谐波失真，负载呈现为非纯阻性，那么功率因数就小于1.

功率因数的另一种定义：

pf=cosθ

其中θ是输入电压和电流正弦曲线的相位偏移角。

二、为什么需要PFC控制

谐波的定义

在周期性的复合波的各成分中，除基波以外的部分。基波频率的n倍被称为第n次谐波。

电源谐波电流

电源线上流过的谐波电流。如果电源频率为50Hz，那么基波频率则为50Hz、第三次谐波为150Hz的成分。

谐波带来的影响

电视机以及变频空调在其内部有把交流电压转换成直流电压的整流电路，以此形成直流电源，再把电力供到各电子电路中。这些整流电路大多数为电容输入型，其输入电流只在峰值电压波形附近流通、呈脉冲状电流波形。当出现这样的电流波形时，会出现电压波形出现畸变、进相电容的异常发热及电机或变压器的噪音增大、受电设备的容量降低等问题，因此IEC以及各国都设有限度值来控制谐波。

三、产生·不产生谐波的电路

不产生谐波的电路实例和电流波形

线性负载（白热灯、电炉、电加热等）

产生谐波的电路实例和电流波形

电容输入型整流电路（电视、录像机、音响、电路、微波炉、变频空调、变频照明，变频电器等）

·相位控制电路（电热毯、白热灯、白热调光器等）

有源PFC可有效改善电源谐波，调整电流和电压的相位差，全周期开启，电流波形好，波形如下

四、有源PFC控制处理结构图

有源PFC是通过专用控制电路调整电流波形，对电流和电压波形相位差进行补偿，减小相位差，元器件体积较小，通过算法精准控制，EMI性能好。其控制框图如下所示

五、有源PFC控制概要说明

PFC的理论式

Duty=1-Vp·Sinθ/Ed·ι/（Ip·Sinθ）

=1-（Vp·Sinθ·ι）/（Ed·Ip·Sinθ）

Sainθ抵消

=1-（Vp·ι）/（Ed·Ip）

根据Kn=Ed/Vp

Duty=1-ι/（Kn·Ip）

把Ip替换成平均电流，那么

Duty=1-ι/（Kn·（π/2）·Ip·（2/π））

把kn·π/2替换成Ka、Ip·（2/π）替换成Iave，

Duty=1-ι/（Ka·Iave）

再转换成载波基数：两边都乘以Tc

Tc Duty=Tc-Tc·ι/（Ka·Iave）

根据KaTc=Tc/（Ka·Iave）

Tc Duty=Tc-ι·KaTc

注：Vp：电源电压（最大值）

Ed：目标直流电压

ι：瞬时电流

Ip：电流值（最大值）

Kn：升压比

Ka：（Kn·π）/2

Iave：电流（平均值）Ip·2/π

KaTc：预计算用变量

六、有源PFC控制的扩展功能

1. Iave-Ka控制

当Ka值不足π/2时是部分开关，Ka的值越小IGBT的损耗越低。谐波如图1所示是与Ka值呈反比例变化。

「Ka-lave控制」如图2所示根据变频电流让Ka发生变化、以此把谐波控制在限度值以下，（图3）减少IGBT的损耗，就可提高PFC的效率。

2.Id-Ka控制

即使变频输出电压出现饱和、在未达到目标转速的情况下，可以通过[弱磁控制（增加-Id）]来提高转速。但是，随着-Id的增加、变频效率会下降。另一方面，也可以通过使用PFC的升压功能来提高直流电压，提高变频的饱和电压、来提升转速。但PFC动作会从部分开关动作变为完全开关动作，所以PFC的效率会降低。[Id-Ka控制]组合了这2个特征、从整体上而言是损耗最少的控制方式。

3.瞬時停电检测控制和防过电流控制

如果在压缩机运转中、AC电源出现瞬时停电，那压缩机会断续运转，直流电压会下降，接着当AC电源恢复到原来的电压时，滤波电容上会产生脉冲状的大充电电流（大电流），这样过电流保护就会启动，那就也可能出现让压缩机停止运转的情况。作为解决该问题的手段之一，就是检测瞬时压降，停止变频防止直流电压的降低，就可以在AC电源恢复到原来电压时减小脉冲状的充电电流。

七、PFC动作时的电流过零点检知与瞬时压降检测

控制基本结构：比较PFC的瞬时电流和算出比较值，测试在比较值以下的时间段，检测与电流零相位的瞬时电压压降。

1.算出的比较值

PsErrCmpLvel = 设定值 * Iave * π/2

※ Iave * π/2=电流的峰值

设定值：电源电压在60%时让其动作的话，为0.6

2.过零点计算器是在瞬时电流

3.过零点计算器的1/2判断为零点相位。

4.电源电压瞬时下降时，瞬时电流也会降低，如果出现比设定值要低的瞬时电压，那么过零点计算器就会清零。

5.过零点计算值如果持续在0.75周期以上，就判断为瞬停。

八、PFC停止中的过零点检测

控制基本结构：比较瞬时电流和平均电流，把瞬时电流超过平均电流的点作为T1、低过的平均电流的点作为T2，再通过T1、T2求过零点。

处理步骤：

1.通過自由运行定时器（Freeruntimer），求出T1、T2

2.根据前次的T2值和此次的T2值求出电源周期（计算值）

3.根据T1、T2、K求出相位计算值，进行相位计算的同步设定

K == 0.8（根据实测值求出的值）

随着变频技术带推广与普及，有源PFC在家电和电力行业得到广泛的应用。有源PFC技术应用能降低转换过程中的电能损耗，减少谐波干扰对电网的干扰，提高电网利用率，达到节能减排对作用。

[ 参  考  文  献 ]

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