一种小型化单相有源功率因数校正装置设计

刘少龙，刘 力，杨启帆，徐叶斌，刘涛瑜

（中国航空工业集团公司西安航空计算技术研究所，陕西 西安 710076）

0 引 言

开关电源变换器具有响应速度快、体积重量均明显减小、损耗低以及带负载能力强等特点，因此大部分应用场合下开关电源基本已取代了线性电源[1]。但是，开关电源也带来了一些在使用中无法避免的负面问题，其中主要的问题就是对电网产生的谐波和无功污染[2,3]。

为了有效减少开关电源并网产生的谐波和无功污染，目前主要通过功率因数校正电路来进行解决[4]。文献[5]和文献[6]针对功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）控制电路分别提出了变占空比的PFC控制方式和基于状态监测器的控制方法，虽然可以在一定程度上减少谐波电流分量，但也明显增加了控制电路的复杂度和设计成本。文献[7]从理论上阐述了不同种类的功率因数校正技术，却只做了理论的说明，而没有提及具体的工程实现。文献[8]提出了一种单开关整合式PFC变换器，该变换器虽可以改善BUCK型PFC电路谐波电流大的缺点，但不适合大功率的应用场合。

电流谐波产生的主要原因是开关电源中二极管构成的不可控容性整流电路工作时的电流不连续，解决这一问题的办法就是对开关电源设备中的电流脉冲幅度进行抑制，使得电流波形尽量接近正弦波[9]。综上所述，本文结合单相交流供电设备的实际应用场景，提出了一种谐波抑制效果明显、功率因素显著提高、同时可以达到小型化目的的功率因数变换装置。

1 单相有源功率因数校正的基本原理

通过对电流脉冲的幅度进行限制，使电流波形尽量接近正弦波，是功率因数校正技术的目的[10,11]。有源功率因数校正电路通常采用电压控制性晶体管对主电路回路的电流进行幅值和相位的控制，使其尽量与输入电压相位接近、波形相同，总谐波含量可削弱至5.0%以下，功率因数可达到0.99以上[12,13]。

典型的单相有源有源功率因数校正电路如图1所示。流过电感L的电流受开关管S的通断控制。当开关管S在1个开关周期内处于导通状态，输入电压Ui通过整流桥后给电感L充电，电感电流增加，当开关管处于关断状态，则电感L上存储的电能给后级电路放电，电感电流下降。

图1 单相有源功率因数校正电路

电感电流可控的原理可以通过状态平均等效电路法来进行说明，如图2所示。将电路中的电压和电流用相量表示，可以得出为输入电压相量，为电感电流相量，而电感两端的电压则超前相位90°。选择合适的开关管通断占空比控制率D(t)，使得，按照正弦规律变化，且相位比输入电压相量超前90°，即可实现电感电流对输入电压波形的相位跟踪。

图2 电感电流可控状态平均等效电路

为了获取与输入电压同相位的电感电流值，关键是确保开关器件的占空比满足要求。通常在工程设计中，开关器件合适的占空比由控制电路产生，控制电路的电流给定信号为正弦绝对值信号，因此闭环控制会不断调节实际工作中流过电感的电流波形接近正弦绝对值信号，从而实现功率因数校正。

2 主电路参数计算和选型

下面以电流连续模式PFC电路为例，介绍主电路中开关管S、升压电感L以及二极管VD5等关键器件的电气参数计算。

输入电压通常为正弦波，此处忽略电流纹波的理想情况下可认为经过该PFC电路后电流和电压相位完全相同，即功率因数为1，计算公式为

式中：Ui、Ii分别为输入电压和输入电流的幅值；ω为输入电压Ui的角频率。

流过电感的电流为输入电流的绝对值，为输入电流经过全波整流后的波形，因此有根据电路的状态空间平均模型，则有相应的计算公式为

式中：D(t)为开关管导通占空比，其随着时间实时变化；D'(t)为开关管关断占空比，与D(t)相加之和为1；Uo为输出电压。

根据式（3）可以近似得出

流过开关管电流的表达式为

式中：k=0,1,…,N-1。当该升压变换电路稳定运行时，TS→0、N→∞，则可得出开关管电流在输入电压周期内的有效值近似为

式中：IsRMS、IiRMS、UiRMS分别为开关管电流有效值、输入电流有效值以及输入电压有效值。

根据二极管电流和开关管电流之间的关系，可得出二极管电流的有效值为

在电流连续模式下，电感电流最大有效值可近似表示为

根据最大纹波电流峰峰值可计算得出升压电感的电感量，计算方式如下。

式中：Uimax为输入电压的峰值。

3 控制电路设计

实用的单相功率因数校正电路采用电流连续模式或临界导电模式，较少采用电感电流断续工作模式。本设计中电路设计选用电流连续工作模式，选用UC3854作为主功率电路的控制芯片。控制电路原理如图3所示。

图3 控制电路原理

控制电路是完成输入电流相位控制和输出电压幅值控制的核心，其经过2级PI计算得到的开关信号直接输入开关管的控制端，实现电路的双闭环控制。

双闭环控制由外环电压环和内环电流环构成，双环均采用比例积分的控制原理。电压环实时采集PFC电路负载输出端的直流电压值并与给定电压值参考值进行比较，将二者差值进行比例运算和积分运算后作为电流环的给定信号之一。电流环实时控制流过电感的电流值，其给定值的计算一部分来自前端电压环的PI计算结果，另一部分来自整流桥的输出，整流桥的输出在实际计算中会做绝对值处理，目的是给电流环提供1个正弦绝对值参考信号，让电感电流的波形和相位去接近该参考信号。实际应用中，电流环的参考还加入了前端的电压有效值。前端电压采集电路实时采集整流桥的输出电压，获取该电压的有效值信号，将该有效值信号再进行平方运算，目的是将输入电压的变换快速反馈到电流环的PI计算结果中，然后通过控制开关管的导通和关断来快速调整PFC电路的输出信号，以达到输出电压对输入电压变化的迅速响应，确保不会长时增大电流对电路产生损坏。

乘法器电路依据3部分的电流参考输入值进行乘除运算，得出最终的电流环给定信号。该给定信号再和实际电流值进行PI比较运算，得出电流环的输出结果。电流环输出结果信号即为双环PI控制器最终输出的控制量。该控制量和振荡器输出的锯齿波载波信号同时输入至脉宽调制（Pulse Width Modulation，PWM）比较器，比较后便可得出频率一定且占空比随着控制量变换的PWM信号。该PWM信号在经过一级驱动放大电路后，得到最终的控制信号，并将其输入至开关管的控制端，实现开关管的通断控制。该控制信号内包含了输出电压与输入电压的差值、电流波形相位与给定信号的差值以及输入电压的变化信息，因此通过控制开关管的工作状态便可直接达到电路电压闭环和功率因素校正的目的。

4 结 论

单相有源功率因数校正电路在单相交流供电的场合下应用广泛，同时根据单相有源功率因数校正电路的基本原理也可以推广得出三相有源功率因数校正电路。单相PFC电路能很好地利用开关管的开通和关断来达到功率因数校正的目的，大多数情况下校正后的功率因数均接近于1。同时经过调节电流相位可保证电流波形跟随电压波形而不产生明显畸变，大大减小了电路中的谐波污染，具有重要的应用价值。