有源功率因数校正电路在电动叉车充电装置中的应用

孙莉莉，付 维，王 硕，戚 涛

(成都理工大学 工程技术学院，四川 乐山 614000)

0 引言

随着现代物流产业的飞速发展，电动叉车以其绿色环保、操作灵活、噪音低等优点成为物资搬运的主力军，其需求也日益增长。充电装置作为电动叉车运行的能源保障，其技术也在飞速发展。但充电装置作为一个中大功率级别的系统投入使用势必带来电网谐波污染，降低电网供电质量，影响电网中其他设备的正常运行[1]。基于以上原因，在充电装置中引入功率因数校正技术，不但可以提高充电系统的电能传输效率，还可以减小谐波污染，提高网侧的功率因数，保证输出电能的质量[2-3]。因此该文设计了基于UC3854控制芯片的Boost-APFC前级输入电路。

1 APFC电路的组成及工作原理

APFC电路主要由功率电路和控制电路两部分组成。功率电路由桥式整流电路和Boost升压电路构成[4]，电路结构如图1所示。控制电路由UC3854芯片、补偿电路和外围电路构成，电路结构如图2所示。功率因数校正电路利用UC3854内部的乘法器、误差放大器、比较器等器件，与外围电路共同构成双闭环控制，来矫正畸变波形，保证电压电流相位相同，实现功率因数的提高[5]。

图1 APFC功率电路结构

图2 UC3854控制电路结构

电阻R17和R18对APFC电路输出的直流高压进行分压采样，得到采样电压UFB。UFB输入到UC3854的11引脚的电压误差放大器的反相输入端，与同相输入端的基准电压Uref=7.5 V进行比较放大，放大后的值作为乘法器的输入信号A。再用电阻R5将整流电压UAB转换为电流信号，输入到UC3854的6引脚作为乘法器的输入信号B。整流电压UAB通过前馈分压电路采样，采样信号经平方处理后输入UC3854的8引脚，作为乘法器输入信号C。乘法器的输出信号M=AB/C作为电流内环控制的基准信号，此基准信号输入到电流误差放大器的同相输入端，4引脚采样得到的电感电流信号输入到电流误差放大器的反相输入端，经电流误差放大器处理后的信号，与14引脚的锯齿波信号比较产生控制开关管导通的PWM控制信号，由16引脚输出。使电感电流跟随整流电压UAB的相位变化，达到提高功率因数，减小电流谐波的目的。

2 系统参数设计

交流输入电压Ui=200～264 V；交流输入电压频率f=50 Hz；APFC电路输出直流电压Uo=400 V；APFC电路额定输出功率Pout=4 kW；η>97%；功率因数PF>99%；开关频率fs=100 kHz；网侧输入电流THD<5%。

2.1 主电路参数计算

2.1.1 升压电感参数计算

当电路输出功率达到最大，输入电压Ui最小时，此时的峰值电流Ipk为：

电感电流纹波ΔIL按照峰值电流Ipk的0.2倍计算，所以ΔIL=29.15×0.2≈5.83 A。

当输入电压最低时，为保证输出电压的稳定，输入占空比最大[6]：

升压电感L为：

实际升压电感选用100 μH的铁硅铝磁芯电感。

2.1.2 输出电容参数计算

输出电容Co的选取，要综合考虑电容允许流过的电流、温升、输出电压维持时间等多个因素[7]。其中输出电压维持时间Δt作为首要考虑因素，一般取20 ms，则输出电容Co为：

实际输出电容选用容量为2200 μF、耐压值为500 V的铝电解电容。

2.1.3 开关管和续流二极管参数计算

当开关管导通二极管关断时，开关管流过的最大电流即为峰值电流，二极管承受的最大反向电压即为输出电压。当开关管关断二极管导通时，二极管流过的最大电流即为峰值电流，开关管承受的最大反向电压即为输出电压。考虑一定的安全裕量，

开关管选用SGH40N60UFDTU型IGBT，其耐压值600 V，最大集电极电流为40 A。续流二极管选用耐压值为600 V，正向平均电流为50 A，反向恢复时间小于40 ns，导通压降为1.3 V的FFH50US60S型二极管。

2.2 UC3854外围电路参数设计

2.2.1 双闭环控制原理

双闭环控制包括电流内环和电压外环。电流内环实现网侧输入电流跟随输入电压按照正弦规律变化且无相位差。电压外环保证APFC电路输出直流电压的稳定[8]。220 V市电经桥式整流过后，输入电流中会存在大量的谐波。为了稳定电流环控制，且使平均电感电流达到较好的动态跟踪能力，电流环必须具有合适的相位裕量、较高的低频增益、较强的抑制开关纹波能力、较宽的中频带宽等特点。由于整流输出电压中包含较多的二次谐波分量，为保证电流环不受二次谐波的影响，并防止输入的电流发生畸变，所以电压环必须具有低宽带特性。

2.2.2 输入电流采样电阻Rs参数计算

输入电流经电阻Rs采样后转换为电压输入到UC3854，此压降约为1 V。则采样电阻Rs为：

总峰值电流Ipkmax为：

经计算得取样电阻Rs值为31 mΩ。

2.2.3 前馈分压网络参数计算

前馈分压网络主要由R1，R2，R3，C2，C3组成。分压后的电压作为UC3854芯片内部乘法器的输入信号C，要求其值在1.4～4.5 V之间。电容C2两端的电压值应大于7.5 V。

UABmin=180 V为交流输入电压最小时的整流输出值。取R1=910 kΩ，则R2=32 kΩ，R3=7.5 kΩ。

其中：fr为二次谐波频率，取100 Hz。

2.2.4 整流后输入电压采样及偏置电路参数计算

整流输出电压UAB经电阻R5转换为电流作为内部乘法器的输入信号B。一般最大电流取0.6 mA。

则R5=622 kΩ。

为防止输入电流的畸变，须在第9引脚和第6引脚之间接入一个偏置电阻R14：

R14=0.25R5=155.5 kΩ

取R14=155.5 kΩ。

2.2.5 电压环补偿电路参数计算

电压环补偿电路主要对二次及其以上的谐波进行滤除，保证输出电压的稳定[10]。补偿电路由C4和R10组成。输出电压经电阻R17，R18进行采样，采样信号UFB送至电压误差放大器的反相输入端，同相输入端基准电压Uref为7.5 V，一般R17取510 kΩ，则电阻R18为：

电压误差放大器允许输出最大纹波电压Uopk为：

电压误差放大器对二次谐波的增益GVA为：

补偿电容C4为：

补偿电阻R10为：

其中：fV为电压环穿越频率，取151 Hz。

2.2.6 电流环补偿电路参数计算

电流环补偿电路主要在于提高电流环的响应速度及控制的准确度[11]。电流环补偿电路采用单零点-单极点补偿，补偿电路由R9，C10，C11组成。电感电流作为电流误差放大器的反相输入端的输入信号，反相输入端电阻R12=4.5 kΩ，电流误差放大器的增益GCA为：

补偿电阻R9为：

R9=GCA×R12=18.9 kΩ

极点补偿电容C10为：

零点补偿电容C11为：

其中：ΔURS为电感电流采样电阻Rs在开关频率处的压降，取1.24 V；fC为电流环穿越频率，取4 kHz。

3 仿真分析

在Matlab软件的Simulink环境下对Boost APFC电路建立仿真模型，参数如表1所示。

表1 Boost APFC电路参数

3.1 功率因数校正效果测试

Boost APFC电路在额定功率下测得网侧输入端电压ui、网侧输入端电流ii波形如图3所示。由图3可得，输入电流ii波形跟随输入电压ui呈正弦规律变化且无相位差，实现功率因数校正的目的。

图3 网侧输入电压、输入电流波形图

3.2 输出电压稳定性测试

图4为Boost APFC电路输出稳定的400 V电压，输出电压纹波峰峰值约为8 V，占输出电压直流分量的2%。当电阻负载由150 Ω降至100 Ω时，输出电压有所下降，但在3个电源周期后，输出电压又恢复至400 V并保持稳定，系统动态响应性能良好。

图4 输出电压波形图

3.3 不同功率下电路稳定性的测试

给Boost APFC电路分别加载容量为50 Ω，75 Ω，100 Ω，150 Ω四种阻性负载，测得输出电压、网侧输入功率、APFC输出功率、网侧功率因数，并计算其电能传输效率，得到实验数据如表2所示。

表2 不同容量阻性负载得到的实验数据

从表2可以看出，该Boos APFC电路在不同容量的电阻负载下网侧功率因数都在0.99以上，电能传输效率均高于97%，表现出良好的、稳定的功率因数校正效果，电流纹波抑制效果明显。

4 结论

为了提高电动叉车充电装置的充电效率，并减小充电装置对电网的冲击和谐波污染，设计了以UC3854芯片为控制核心的双闭环功率因数校正电路。仿真分析表明，网侧输入端电流ii跟随网侧输入电压ui变化且无相位差，有效抑制了输入电流的谐波。输出电压稳定且电压纹波约为2%。在2～4 kW的不同功率等级负载下，网侧功率因数都在0.99以上，APFC电路的传输效率均高于97%。当负载容量发生变化时，输出电压发生小幅波动，但在3个电源周期内，快速恢复至400 V并保持稳定，系统的动态性能好。Boost APFC电路各项指标均满足设计要求，为充电装置中后级电路提供稳定、高效的电能保证。经实验验证增加功率因数校正电路使电动叉车的充电效率提高了1%。