有源功率因數(shù)校正電路的研究與實(shí)現(xiàn)*

王瑜,高文根

(安徽工程大學(xué) 安徽檢測(cè)技術(shù)與節(jié)能裝置省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000)

有源功率因數(shù)校正電路的研究與實(shí)現(xiàn)*

王瑜,高文根

(安徽工程大學(xué) 安徽檢測(cè)技術(shù)與節(jié)能裝置省級(jí)實(shí)驗(yàn)室，安徽 蕪湖 241000)

電力電子換流裝置的正常工作依賴市網(wǎng)供電，然而其內(nèi)部存在的AC-DC模塊卻很容易使輸入電流發(fā)生畸變，針對(duì)導(dǎo)致的諧波污染和用電安全問題，在分析了升壓型有源功率因數(shù)校正電路工作原理的基礎(chǔ)上，提出了一種以NCP1654芯片為核心的有源功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)方法，并先后完成樣機(jī)電路設(shè)計(jì)、主要元器件參數(shù)的計(jì)算與選擇、仿真分析、樣機(jī)測(cè)試；仿真與樣機(jī)測(cè)試結(jié)果顯示，該有源功率因數(shù)校正電路控制簡(jiǎn)單，功率因數(shù)高，電流波形失真小，可以實(shí)現(xiàn)諧波的消除和輸入電流相位的校正，提高了系統(tǒng)的電能效率與功率品質(zhì)，保證了電網(wǎng)和電氣設(shè)備的經(jīng)濟(jì)安全運(yùn)行，達(dá)到了國(guó)內(nèi)技術(shù)監(jiān)督局和國(guó)際電工委員會(huì)要求的電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)。

換流裝置；有源功率因數(shù)校正；功率因數(shù)；諧波

0 引 言

通常的電力電子設(shè)備都是由市網(wǎng)220 V交流供電的，因此存在一個(gè)前級(jí)AC-DC電路[1]?？紤]到成本低和使用簡(jiǎn)單的原則，這種電路一般都是由4個(gè)二極管構(gòu)成的不可控整流橋和濾波大電容并聯(lián)搭建的，而非線性元件和儲(chǔ)能元件的組合對(duì)輸入電流不具有可控性，而且電容電壓不能發(fā)生突變，從而當(dāng)輸入電壓高于電容兩端電壓時(shí)，二極管才能導(dǎo)通，反之則不導(dǎo)通。由于這一現(xiàn)象的出現(xiàn)，使得電流的波形發(fā)生了畸變，其絕對(duì)值在電源電壓峰值附近才能存在。電流畸變成窄脈沖狀后其有效值大于平均值，所以市網(wǎng)提供的功率要大于負(fù)載實(shí)際吸收的功率，導(dǎo)致整塊電路的輸入功率因數(shù)下降。而含有大量諧波的窄脈沖電流倒灌進(jìn)市網(wǎng)，既會(huì)造成輸入電壓的畸變，破壞用電品質(zhì)，也會(huì)造成電網(wǎng)線路的事故，迫使設(shè)備出現(xiàn)安全隱患。

為了提高市網(wǎng)供電設(shè)備的功率因數(shù)(PF)，以達(dá)到優(yōu)化節(jié)能的效果，也為了保證市網(wǎng)的供電質(zhì)量，以提高電網(wǎng)的可靠性，就必須限制整流電路輸入端諧波電流分量。為此，我國(guó)也制定了國(guó)標(biāo)GB/T 1762513-41。這就要求用電設(shè)備在接入電網(wǎng)時(shí)必須進(jìn)行功率因數(shù)校正(PFC)。

目前的PFC主要存在無(wú)源和有源兩種技術(shù)方向。第一種方向(PPFC)充分利用無(wú)源器件，用電感電容組合濾波的方式有效改善PF、減少諧波危害，可以使PF提升至0.7以上，但缺點(diǎn)是對(duì)諧波的抑制效果不夠理想，尺寸大、重量大，難以得到滿意的PF，只能用于功率要求不大的電源系統(tǒng)；而第二種方向(APFC)是在二極管組成的整流橋之后主動(dòng)接入一塊直流轉(zhuǎn)換電路，通過PWM波的方式控制開關(guān)管的通斷，進(jìn)而控制輸入電流波形，使輸入電流和電壓波形相位一致，從而實(shí)現(xiàn)PFC的功能[2-4]。APFC技術(shù)可以做到功率因數(shù)接近1，相比無(wú)源PFC功率因數(shù)要高很多，而且開關(guān)管電流有效值小，抑制諧波效果好，因此得到了廣泛應(yīng)用。

APFC常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有四大類。分別為降壓式、升/降壓式、反激式、升壓式。但在實(shí)際工程使用當(dāng)中，第一種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)控制電壓不穩(wěn)定，輸出波形較差，對(duì)開關(guān)管的要求高，因此技術(shù)上難以達(dá)到使用的標(biāo)準(zhǔn)；第二種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使用的高頻元器件個(gè)數(shù)較多，電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)困難，應(yīng)用難度高；第三種拓?fù)湟驗(yàn)殡姎飧綦x的作用安全性較高，控制和應(yīng)用也相對(duì)容易，但該拓?fù)渲荒茉诠β室筝^低的情況下使用，因此具有一定局限性;第四種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是電流型控制，PF值高，總諧波失真(THD)小，當(dāng)輸入電流連續(xù)時(shí)易于EMI濾波，能夠應(yīng)對(duì)各種功率要求，因此成為了工程中最滿意的選擇[5-6]。

本文從有APFC的技術(shù)出發(fā)，對(duì)其工作原理進(jìn)行了分析，并完成了硬件電路設(shè)計(jì)、主要元器件參數(shù)計(jì)算選擇和軟件仿真驗(yàn)證，最后采用NCP1654作為主控芯片實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)研制。該樣機(jī)控制簡(jiǎn)單，外圍器件少，仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示其具備功率因數(shù)校正的要求。輸入電流跟隨電壓，不再出現(xiàn)窄脈沖狀波形，且電流電壓相位保持了一致，驗(yàn)證了電路功能的完整實(shí)現(xiàn)。

1 升壓型有源功率因數(shù)校正的工作原理

1.1 功率因數(shù)的概念

電力電子設(shè)備在運(yùn)行的過程，有功功率P提供了設(shè)備運(yùn)行使用所需的電功率，無(wú)功功率Q提供了磁性元件建立磁場(chǎng)所需的電功率，視在功率可以表示為

(1)

功率因數(shù)(PF)體現(xiàn)了有功功率P在視在功率S中所占的比重，具體表示如下：

(2)

其中，Ur是輸入電壓的有效值，Ir是輸入電流的有效值，Ir1是輸入基波電流的有效值，α是輸入電流與電壓的相移角。

現(xiàn)實(shí)中經(jīng)過整流橋，輸入電流往往不再為正弦交流波形，因此不僅存在基波分量，同時(shí)還存在著各次諧波分量，具體公式如下：

(3)

其中，Ir2…Irn是輸入電流中的二次到n次諧波電流有效值。

諧波畸變率TTHD：

(4)

聯(lián)立式(2)(4)可得：

(5)

由式(5)可知，F(xiàn)PF值的大小只與TTHD、α的大小相關(guān)。為了使FPF趨近于1，需要TTHD趨近于1而α趨近于0。因此可以看出，提高功率因數(shù)可以從兩個(gè)方面進(jìn)行考慮，一方面是高次諧波的消除，使得輸入電流正弦化，另一方面是電流相位的校正，使得輸入電流電壓相位一致。在工程設(shè)計(jì)中，APFC技術(shù)主要運(yùn)用在整流橋之后的直流變換電路上，作用于輸入電流，通過對(duì)其波形的時(shí)刻調(diào)整，使其最終趨近于正弦波的同時(shí)又與輸入電壓同頻同相，由此提高功率因數(shù)，達(dá)到功率因數(shù)校正的要求。

1.2 升壓型有源功率因數(shù)校正的工作原理

升壓電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示，在一個(gè)周期內(nèi)分為兩個(gè)階段[7-8]。第一階段MOS管Q導(dǎo)通，電路從市網(wǎng)獲得的能直接作用于升壓電感L，L上的電流持續(xù)增大，續(xù)流二極管VD反向截止，L儲(chǔ)存電能。此時(shí)的負(fù)載R由支撐電容Co維持供電。第二階段MOS管關(guān)斷，VD正向?qū)?，L上的電流不斷減小，負(fù)載由市網(wǎng)獲得的能量和L中儲(chǔ)存的電能同時(shí)供電。

圖1 升壓電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.1 Boost circuit topology

升壓型功率因數(shù)校正電路作為一種高頻開關(guān)電路，在控制原理上與傳統(tǒng)的開關(guān)電路并無(wú)不同，都是采集電路中電壓電流信號(hào)，在控制單元中運(yùn)算，通過改變驅(qū)動(dòng)的PWM波控制MOS管動(dòng)作，達(dá)到控制要求。而對(duì)于這個(gè)雙閉環(huán)控制單元，電壓外環(huán)包括電壓誤差放大器VA和模擬乘法器M[9]。因?yàn)?型系統(tǒng)可以完美跟蹤階躍信號(hào)，所以只需一個(gè)額定的輸入?yún)⒖茧妷海湍艿玫椒€(wěn)定的輸出電壓波形。電流內(nèi)環(huán)是由電流比較器CA、PWM生成器和驅(qū)動(dòng)構(gòu)成，作為2型系統(tǒng)也能完美跟蹤階躍信號(hào)，而鋸齒波信號(hào)的變化相對(duì)較慢，因此對(duì)于正弦信號(hào)也可以實(shí)現(xiàn)完美追蹤。電壓反饋信號(hào)從電路的輸出側(cè)采集，電流反饋信號(hào)從電路串接的采樣電阻上采集。

原理上，單相交流電經(jīng)過整流橋后，變成脈動(dòng)電壓，通過升壓拓?fù)潆娐泛?，輸出?jīng)支撐電容后傳遞給負(fù)載。VA采集輸出電壓Uo與參考電壓Uref進(jìn)行比較，產(chǎn)生的電壓誤差信號(hào)Ue送入M中，此時(shí)M中的另一個(gè)輸入為整流之后的電壓Ub，M輸出到電流內(nèi)環(huán)的參考電流Iref同為整流后的脈動(dòng)狀波形，這便保證了電流與電壓波形的一致性。CA有了參考電流Iref后，與主電路集來(lái)的電流信號(hào)IC比較后，產(chǎn)生的平均電流信號(hào)Ie再與鋸齒狀載波信號(hào)在PWM比較器中進(jìn)行比較，通過占空比的改變，控制MOS管Q的開關(guān)。

整個(gè)過程中，控制信號(hào)實(shí)時(shí)追蹤整流橋之后的周期性電壓變化，每個(gè)周期都由主電路電流環(huán)控制著MOS管的開關(guān)。在采用平均電流控制的方法上，工作頻率是固定的，反饋得來(lái)的IC信號(hào)與Iref比較后，在CA中進(jìn)行平均化處理，因此每一個(gè)周期內(nèi)的輸入電流平均值決定了MOS管開關(guān)的占空比[10-12]。平均電流控制方法使電路對(duì)抗噪聲不敏感，減小了諧波畸變率，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

2 電路設(shè)計(jì)與元器件參數(shù)計(jì)算選擇

2.1APFC電路設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)參數(shù)如下：輸入交流電壓Uin：133～265 V；功率Po：300 W；輸出電壓Uo：385 V；變換器電源效率η：0.9。采用NCP1654為主控芯片的升壓型有源功率因數(shù)校正電路在硬件上為3個(gè)部分，分別為市電整流濾波電路、傳統(tǒng)升壓電路、APFC控制電路。如圖2所示，市電整流濾波電路從市網(wǎng)接入交流電后，在整流橋之前先后兩次由X、Y型電源電容濾波，其間經(jīng)過EMI濾波器，該濾波器由共模電感和差模電感構(gòu)成。共模電感是一個(gè)封閉磁環(huán)上對(duì)稱繞制的兩個(gè)匝數(shù)相同的線圈，但其方向相反。差模電感是一個(gè)普通的單向線圈電感。二者的配合使用可以有效濾除共模差模噪聲，讓整塊電路避免了電磁干擾。在不可控整流橋之后，電壓呈現(xiàn)脈動(dòng)狀波形并由電容濾波趨于平穩(wěn)。如圖3所示，傳統(tǒng)升壓電路由升壓電感L、續(xù)流二極管VD1和MOS管Q構(gòu)成。VD2為浪涌二極管，VD2跨接在L和VD1兩端，當(dāng)尖峰浪涌時(shí)，通過導(dǎo)通使后面的濾波電容對(duì)電壓進(jìn)行吸收，避免了MOS管直接接受尖峰電壓的沖擊，保證了器件和電路的正常工作。輸出端接入并聯(lián)的有極性與無(wú)極性電容，作用是為了達(dá)到最好的濾波效果。與此同時(shí)，這些電容還起到在MOS管導(dǎo)通時(shí)維持負(fù)載供電的作用。如圖4所示，APFC控制電路是以NCP1654為主控芯片的典型電路，NCP1654芯片是一款專門應(yīng)用在升壓型功率因數(shù)校正電路的高性能控制器，具有控制簡(jiǎn)單，外圍器件少的優(yōu)點(diǎn)。它采用連續(xù)導(dǎo)通模式下的平均電流控制方法，而且提供了一套可配置的保護(hù)功能，其中包括自動(dòng)恢復(fù)和故障閉鎖、欠壓過壓、短路保護(hù)等。本次電路設(shè)計(jì)在功率密度和開關(guān)損耗的綜合考慮后選擇了芯片200 kHz固定開關(guān)頻率。在電路搭建過程中，芯片的DRV引腳輸出PWM波，控制著MOS管的通斷，CS引腳通過采樣電阻R1采集主電路電流IC，BO引腳通過電阻R3、R4、R5、R6的分壓作用采集整流后的Ub，F(xiàn)B引腳通過電阻R8、R9、R10的分壓采集Uo。

圖2 市電整流濾波電路Fig.2 Power rectifier filter circuit

圖3 傳統(tǒng)升壓電路Fig.3 Traditional boost circuit

圖4 APFC控制電路Fig.4 APFC control circuit

2.2 主要元器件的參數(shù)計(jì)算與選擇

整流橋在整個(gè)電路中起到交流電轉(zhuǎn)換成直流電的作用，這也是功率因數(shù)值降低需要校正的根源所在。整流橋主要引起了電流的畸變，因此衡量整流橋能否適用的最主要條件就是輸入電流Iin。電路實(shí)際工作過程中，Uin越低，相應(yīng)的Iin就越高，因此最大輸入電流的有效值Iin,max可滿足：

(6)

Uin的最大值為265 V，考慮到一定安全裕度，所以選擇型號(hào)為KBU8G的整流橋，其額定電壓400 V、額定電流8 A。

輸出電容Co放置于電路的末端，可以參與濾波，使脈動(dòng)的輸出電壓更加平穩(wěn)。而從升壓電路的工作過程考慮，MOS管開通的時(shí)候，負(fù)載的供電需要用輸出電容去維持，因此從能量的角度出發(fā)，每個(gè)周期需要維持的能量Wh由公式可知：

(7)

其中，A為交流電壓的相數(shù)，本電路設(shè)計(jì)的輸入電壓為單相，因此相數(shù)是1。f為市網(wǎng)工頻50 kHz。帶入計(jì)算可得Wh=6.67J。

輸出電容可以提供的能量表達(dá)式為

(8)

其中，Co為輸出電容的容值，帶入計(jì)算得出Co=126 uF。由此決定了兩個(gè)電解電容C8、C9的大小為64 uF,無(wú)極性電容配合濾波，大小選擇10 uF和100 uF兩種即可。

升壓電感L在電路中起到傳遞、儲(chǔ)存能量的作用，是功率因數(shù)校正能夠成功的核心元器件。作為磁性元件的電感，在電路設(shè)計(jì)中很可能存在非標(biāo)的情況。因此在計(jì)算時(shí)應(yīng)當(dāng)充分考慮到峰值電流Ipk、有效電流Irms和電感值L等3個(gè)參數(shù)。

電流的有效值Irms=Iin,max=2.5 A。峰值電流表達(dá)式為

(9)

電感值L滿足公式：

(10)

其中，1%在電路的實(shí)際應(yīng)用中通常取25%～45%，本設(shè)計(jì)取30%。fs為開關(guān)頻率，設(shè)計(jì)中選擇了200 kHz，由此代入得L=280 uH。

續(xù)流二極管VD1保證了MOS管關(guān)斷后電路輸入端獲得的電能可以和L中的電能一起負(fù)載供電。而Co一般較大，所以VD1必須可以達(dá)到高于輸出電壓的最大反向電壓385 V的要求。而VD1的電流應(yīng)當(dāng)大于電感峰值電流3.5 A。出于安全裕度的考慮，設(shè)計(jì)中可以選擇型號(hào)C3D03060A的二極管，其額定電壓600 V、額定電流5.6A。

MOS管Q的通斷決定了電流波形追隨電壓波形的成敗，也決定了電路控制的實(shí)現(xiàn)。在參數(shù)計(jì)算與選擇上應(yīng)該考慮其接受的最大直流電壓和最大電流的能力，最大直流電壓UDS由公式可知：

UDS=Uo+20%Uo=462 V

(11)

而最大電流為3.5 A，由此可以選擇型號(hào)為TPH3002PS的氮化鎵MOS管，其額定電壓為600 V，正常工作溫度下的額定電流為6 A。該MOS管由于制作材料和工藝較為先進(jìn)，因此開關(guān)性能較傳統(tǒng)MOS管更為優(yōu)異，可以更快地響應(yīng)PWM信號(hào)。

3 升壓型有源功率因數(shù)校正橋電路的實(shí)現(xiàn)

3.1 仿真分析

為了驗(yàn)證有源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)的正確性，本文在樣機(jī)制作之前，利用Matlab-Simulink搭建了仿真平臺(tái)[13-16]。圖5所示為市電僅經(jīng)過整流濾波，并未進(jìn)行功率因數(shù)校正的波形圖，可以看出此時(shí)的電流波形呈現(xiàn)窄脈沖狀，畸變十分嚴(yán)重。圖6所示為按照設(shè)計(jì)要求搭建的升壓型APFC電路工作以后，Iin波形得到改善，此時(shí)電流的尖端失真問題得到了解決，Uin與Iin波形相似，呈正弦狀，相位也保持一致，由此證明了APFC的功能的實(shí)現(xiàn)。圖7所示為電路的輸出電壓波形，可以看到在經(jīng)歷一段很短的超調(diào)和震蕩之后，電壓波形穩(wěn)定在385 V前后，紋波較小，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖5 APFC前的電流電壓波形Fig.5 Current voltage waveform without APFC

圖6 APFC后的電流電壓波形Fig.6 After APFC current voltage waveform

圖7 APFC輸出波形Fig.7 APFC output waveform

3.2 樣機(jī)實(shí)現(xiàn)

通過仿真對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行可行性驗(yàn)證，本文由之前原理圖繪制出PCB[17]，并研制出了一臺(tái)升壓型功率因數(shù)校正電路的樣機(jī)。如圖8所示，研制出的樣機(jī)外觀體積小，在測(cè)試過程中工作性能可靠。圖9為MOS管的開關(guān)波形和電路輸出波形，可以看出PWM波有效控制開關(guān)管的通斷，使APFC工作狀態(tài)正常，運(yùn)行穩(wěn)定，紋波率較小，穩(wěn)壓效果優(yōu)異。

圖8 樣機(jī)調(diào)試Fig.8 Prototype debugging

圖9 MOS管開關(guān)波形和電路輸出波形Fig.9 MOSFET switching waveform and circuit output waveform

圖10為樣機(jī)測(cè)試的輸入電壓和輸入電流，二者都是整流橋前的實(shí)時(shí)波形?？梢钥闯?，輸入電流具備很高的跟蹤性，可以有效地追隨輸入電壓的變化而變化，并且相位始終保持一致。由此確定了樣機(jī)的功率因數(shù)校正功能良好，電路性能優(yōu)異。

圖10 樣機(jī)實(shí)測(cè)電流電壓波形Fig.10 The measured current and voltage waveform

4 結(jié) 論

針對(duì)電力電子變流裝置輸入電流畸變的缺點(diǎn)，研究了一種升壓型有源功率因數(shù)校正電路。在分析了有源功率因數(shù)校正工作原理的基礎(chǔ)上，完成了實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的電路設(shè)計(jì)、主要元器件的參數(shù)計(jì)算與選擇、仿真驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)測(cè)試。仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了輸入電流的畸變得到了很大的改善，波形、相位與輸入電壓基本保持一致，顯示出樣機(jī)達(dá)到了功率因數(shù)校正的要求，驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方法的有效性與可靠性。

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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

責(zé)任編輯：羅姍姍

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

2017-03-24；

：2017-05-18.

國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)項(xiàng)目(2015AA050608).

王瑜(1991-) ，男，安徽淮南人，碩士研究生，從事電力電子研究．