APFC直流穩(wěn)壓(ACDC)電路仿真研究.

1、APFC直流穩(wěn)壓（AC/DQ電路仿真研究090607344 鄭太鋒 指導(dǎo)教師 劉繼倫 講師內(nèi)容摘要傳統(tǒng)的整流變換電路 （AC/DC） 存在功率因數(shù)低、輸入電流畸變的問 題。本文對常用的 AC/DC 變換電路進行了研究，設(shè)計了升壓型 APFC（Active Power Factor Correction, 有源功率因數(shù)校正 ）電路模型 和參數(shù)，并對模型進行了仿真。結(jié)果顯示，該電路具有提高功率因數(shù)、 減小輸入電流畸變的功能，對功率因數(shù)校正電路的設(shè)計有一定的參考價 值。關(guān)鍵詞有源功率因數(shù)校正 ; AC/DC 變換器 ; 電流環(huán)控制 5 APFC直流穩(wěn)壓(AC/DQ電路仿真研究緒論為了保證開關(guān)電源的輸

2、電流諧波能夠達到諧波標準的要求，綠化電網(wǎng)環(huán)境，有源功率因數(shù)校正(Active Power Factor Correction , APFC) 技術(shù)已經(jīng)成為當今電力電子學(xué)領(lǐng)域十分活躍和頗具研究價值的熱點。直接接入電網(wǎng)的開關(guān)電源應(yīng)用非常普遍，一般來說，其前置級AC/DC變換部分都采用圖1所示的二極管橋式整流加大容量電容濾波 電路。雖然輸入的交流電壓是正弦波行，但輸入的交流電流卻呈脈沖狀， 波形嚴重畸變，如圖2所示。圖1 AC/DC整流電路圖2輸入電壓，輸入電流波形實踐表明，在提高開關(guān)電源類裝置的功率因數(shù)方面，有源功率因數(shù) 校正（APFC）技術(shù)是應(yīng)用最為廣泛和行之有效的方法。（一）功率因數(shù)及其校正方

3、法根據(jù)電工學(xué)的基本理論，功率因數(shù)（Power Factor ）定義為有功功 率（P）和視在功率（S）的比值，用公式表示為：P Uq 匕 cos 01 L cos 01”PF=_ _ ：（ 1-1）式中： :輸入電流基波有效值；:電網(wǎng)電流有效值-其中，.，.，為輸入電流各次諧波有效值；一：輸入電壓基波有效值；:輸入電流的波形畸變因數(shù)；剛撤:基波電壓和基波電流的位移因數(shù)。為畸變因數(shù)，表示基波電流有效值在總的輸入電流有效值中所占J的比例；-為位移因數(shù)，表示輸入電流與輸入電壓之間的相位差。從本質(zhì)上來講，功率因數(shù)校正技術(shù)的目的是要使用電設(shè)備的輸入端 口針對交流電網(wǎng)呈現(xiàn)“純阻性”，這樣輸入電流和電網(wǎng)電壓為

4、同頻同相的正弦波，功率因數(shù)為1，沒有諧波污染問題。要提高功率因數(shù)，有兩 個途徑：（1）輸入電壓、輸入電流同相位，也就是使;；二:，使相移因數(shù) 蒯!二.（2）使輸入電流正弦化，I】=1r（諧波為零），從而k/二1r綜合這兩種方法，就可以實現(xiàn)功率因數(shù)為i的目標，即PF =乍麗如=1 X1 = 1。提高功率因素具體方法主要有兩種：無源功率因數(shù)校正法和有源功 率因數(shù)校正法。無源功率因數(shù)校正難以得到高功率因數(shù)，電感和電容間 有很大的放電電流。故一般采用有源功率因數(shù)校正法。（二）有源功率因數(shù)校正技術(shù)這一方法是在整流器和負載之間接入一個DC/DC開關(guān)變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入端電流波形跟蹤交流輸入正弦

5、電壓波形，使輸 入電流接近正弦。由于應(yīng)用了有源器件，故稱為有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction），簡稱 APFC。如圖 3 所示就是最常見的采用升壓方法的APFC電路。L105以Boost基本變換器為例。Boost變換器基本電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖4(a)所示，是由二極管VD，電感L和蓄能電容C組成。開關(guān)管Q交替 地開啟和關(guān)斷，就可以實現(xiàn)升壓變換的功能。首先當功率管Q開啟時，二極管VD截止，電路拓撲如圖4(b)所示, 電源電壓一全部加在電感L上，電感充電，電流增大，電源輸入的電流 等于電感電流；當電源管Q切斷，電路拓撲結(jié)果圖4 (c)，如圖所示 的二極管VD導(dǎo)

6、通，電感L對存儲電容C放電，兩端的電感電壓是 一-，并且.的電源電流.-等于電感電流。Q交替地打開和關(guān)閉可 以實現(xiàn)升壓轉(zhuǎn)換器的功能。另外，續(xù)流二極管VD也可以使用其他開關(guān)元件中代替。Ilm】L I2i-J 圖4 ( a)Boost變換器拓撲結(jié)構(gòu)圖4(b) S導(dǎo)通時LiL .1 /2.Us丄片Uc 二二 CR圖4（c） S關(guān)斷時由此可見，電源輸入電流始終跟隨電感電流.，輸入電源電流處于 連續(xù)狀態(tài)，所以輸入電流的紋波較小，降低對濾波電路的要求。二平均電流控制Boost型APFC電路的分析（一）主電路主電路是由電感L、功率開關(guān)管S、二極管D和電容C組成的，其拓撲是Boost電路。交流電網(wǎng)電壓 輸入后

7、經(jīng)整流得到整流電壓， 開關(guān)S先截止，當電容C充電到一定值后，開關(guān)S開始按照PWM規(guī)律 導(dǎo)通與截止，以控制電感L能量的儲存與釋放，并通過二極管D向電容C充電，并輸送到負載 完成把電壓-升壓到的功能。（二）控制電路平均電流控制Boost型APFC變換器控制電路主要是由電流環(huán)和電 壓環(huán)組成的雙閉環(huán)系統(tǒng)。閉環(huán)系統(tǒng)中的電壓環(huán)由分壓電阻網(wǎng)絡(luò)，電壓誤 差放大器，通過乘法器，電流誤差放大器，PWM發(fā)生器等組成。電流環(huán)通常也稱內(nèi)環(huán)，它使輸入電流呈正弦波形；電壓環(huán)通常也稱外環(huán)，它使輸出電壓高于輸入電壓的峰值且保持穩(wěn)定。1電流控制環(huán)通過調(diào)整功率級MOSFET的工作周期，控制回路強制輸入電流跟 蹤輸入電壓呈正弦波形變

8、化。當前控制回路必須有足夠的帶寬，使輸入 電流跟蹤全波直流電壓基準。(1)功率級功率級電路如圖5所示，其傳遞函數(shù)為(3 1)其中，莎為電阻R(s)上的電壓，忙加為PWM比較器輸出的占空比信號。假定輸出電壓恒定，使用狀態(tài)空間平均技術(shù)功率級響應(yīng)(3 2)魚D血sL因為訓(xùn)垠訃腺則: 11 (3 3)圖5功率級電路(2) PWM比較器PWM比較器的原理如圖6所示，其傳遞函數(shù)為:(3 - 4)其中，為振蕩器斜坡電壓的峰一峰值T將PWM級與功率級增益結(jié)合起來，得到(3 - 5)其中,圖6脈寬調(diào)制方式(PWM)(3 )電流誤差放大器電流誤差放大器結(jié)構(gòu)如圖7所示，其傳遞函數(shù)為:CcsRcss + lRfi C

9、cs-Ccp-Rc-S + Ccs + Ccp(3 - 6)其中，二圖7電流誤差放大器為獲得對電流良好的控制和良好的動態(tài)特性，電流環(huán)必須是較高的低頻 增益，較寬的頻帶。設(shè)計時需合理選擇網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)，折衷考慮系統(tǒng)的穩(wěn) 定性和動態(tài)性。2電壓控制環(huán)電壓誤差放大器結(jié)構(gòu)如圖8所示。其傳遞函數(shù)為:一亍舌匚3 - 7)其中&弋,、二環(huán)晞圖8電壓誤差放大器VAout三Boost型APFC電路的設(shè)計（一）設(shè)計指標本文所研究的單相Boost有源功率因數(shù)校正電路,其技術(shù)指標如下:（1）輸入交流電壓輸入頻率f: 50 1HZ輸出直流電壓.：400V功率因數(shù)PF: 0.9（二）運算放大器 LM358LM358內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖

10、9所示:OUTPUTLM358管腳排列如圖10所示1OUTu1 8lvcc1IN-|272OUT1IN+362IN-GND45 9 17 圖10 LM358管腳排列圖(三)Boost型APFC電路的設(shè)計本設(shè)計采用LM358運算放大器對電流誤差取樣放大；采用基準電 壓進行校正，應(yīng)用乘法器進行調(diào)節(jié)，將調(diào)節(jié)結(jié)果用運算放大器輸出于功 率開關(guān)，控制PWM斬波序列，使電路電流跟隨電路電壓波形變化，以 提高功率因數(shù)，使其接近1。1升壓電感L按照限制電流脈動最小原則來確定電感值?？紤]最壞的情況：輸出 功率最高和最低輸入的電壓。此時，輸入電流最大，波紋也最大。以確 保在這種情況下的輸入電流紋波仍滿足電感器設(shè)計的

11、要求，應(yīng)在具有最 低的輸入電壓的點計算由前面分析知，當開關(guān)管 S導(dǎo)通時有:DTS式中，L表示開關(guān)周期,表示開關(guān)頻率。 確定輸入電流的最大峰值，當輸入電壓最小時，輸入電流最大，有:V2PN應(yīng)二產(chǎn)旦二8.84(A)式中，令陥1 設(shè)定允許的電感電流的最大紋波_ ，一般選擇在最大峰值電流的20%左右，有：all=04=W 確定最大峰值電感電流出現(xiàn)的工作周期，當輸入的電壓達到頂峰時， 輸入電流峰值電流紋波最大，因此，應(yīng)在最低輸入的電壓峰值點計 算，有：D倒恥) = Q71Vo 計算升壓電感值為：t V2ViN(mh)x DTnL= fsXALL =45(mH)本設(shè)計中L實取值為0.5mH。2輸出電容C通

12、常選擇壽命長、漏阻低、能耐住較大紋波電流，且工作范圍寬的 鋁電解電容，耐壓選擇應(yīng)留有充分余量，以避免超負荷工作。以滿足維 持時間要求為準則，計算方法如下：維持時間是以下電參量的函數(shù)：儲存在輸出電容器中的能量總和、負 載功率、輸出電壓及能使負載工作的最小電壓。用維持時間來確定輸出 電容值的計算公式為：F，取為36msC=960(uF)3功率開關(guān)管在選擇功率開關(guān)管時，其額定電壓需大于輸出電壓，額定電流要大于電感電流的最大值。電壓考慮1.2倍的安全裕量，電流考慮1.5倍的安全裕量，則Vceh(s)1.2Vo=480V 也($)1亦觸)二13的根據(jù)上述額定電壓，額定電流，功率開關(guān)管選取Intersil

13、公司的IRFP460為功率MOSFET,其額定電壓為500V，額定電流為20A。4反饋網(wǎng)絡(luò)的數(shù)值的值是一個適當?shù)娜我庵?，一般取?二站Ly5設(shè)置直流輸出電壓由”緒朋F 坯詡注甸隔廉，可得hu=R/Vref 丿1 % -臨卜 9.8 ，取扁二 10KQ這就完成了 Boost型APFC系統(tǒng)主電路、控制電路及外圍電路的設(shè)計。系統(tǒng)實驗原理圖如11圖所示D5-R4IR1WTft-OJJOifWTF PSR.QOLIT6圖11系統(tǒng)實驗原理圖四Boost型APFC電路的仿真（一） PSpice簡介采用PSpice軟件進行仿真。該軟件是一個多功能的電路模擬試驗平臺，收斂性好，適于做系統(tǒng)及電路級仿真，具有快速準

14、確的仿真能力（二）仿真結(jié)果與分析電路參數(shù)為：電感L=0.5mH,輸出電容C=960uF，電網(wǎng)頻率 f=50HZ,RL=200 Q ,電流取樣電阻 =0250 。其他參數(shù)值如以上計算 所得圖16未加入APFC電路輸出電流波形圖12為未加APFC時系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)輸入電流波形，輸入電流發(fā)生很大 畸變，呈窄脈沖狀態(tài)，電流畸變增加了總的諧波失真，功率因素低。圖13為加入APFC時電路輸入電流波形，呈現(xiàn)出正弦狀態(tài)。與未 加入APFC相比具有較好的連續(xù)性和電壓跟隨性能。圖14為未加入APFC時電路輸出電壓波形，圖15為加入APFC時 電路輸出電壓波形。圖14與圖15相比，圖15具有明顯的升壓功能， 使電路輸出電壓

15、接近400V。圖16為未加入APFC時電路輸出電流波形，圖17為加入APFC時 電路輸出電流波形?？梢钥闯觯尤?APFC時電流脈動明顯比未加入 APFC時要小而且輸出電流更大。實現(xiàn)了整體電路的升壓功能。仿真結(jié)果證明：Boost型APFC電路可以達到預(yù)期效果，可實現(xiàn)降 低輸入電流畸變，穩(wěn)定輸出電壓的目的。六 總結(jié)與展望本文對 APFC 控制技術(shù)進行了初步研究，主要有以下幾個方面： 1分析了有源功率因數(shù)校正技術(shù)的基本原理，明確本文研究的對 象平均電流控制 Boost 型 APFC 電路。2 將平均電流控制的功率因數(shù)校正思路應(yīng)用到 Boost 變換器的控 制中，設(shè)計了一個具有 APFC 功能的電路

16、，并給出了相關(guān)器件的參數(shù)及 要求。3 運用 PSpice 對所設(shè)計的電路進行了仿真， 對仿真結(jié)果進行了分 析并得到了相應(yīng)的結(jié)論，結(jié)果驗證了電路設(shè)計及其控制策略的可行性， 說明該方法設(shè)計的 APFC 變換器電路較為合理，對 APFC 變換器的設(shè)計 有一定的參考價值。同時，與課題相關(guān)的幾個問題有待進一步研究和解決，主要包括：1APFC 系統(tǒng)穩(wěn)定性的研究； 2三相有源功率因數(shù)校正技術(shù)研究。參考文獻1 王兆安，黃俊 . 電力電子技術(shù) M. 機械工業(yè)出版社 .20072 路秋生 . 功率因數(shù)校正技術(shù)與應(yīng)用 M. 北京，機械工業(yè)出版社 ,20063 梁安平 . 開關(guān)電源有源功率因數(shù)校正電路的設(shè)計與仿真研究

17、 . 華東交通大學(xué) . 碩士學(xué)位論 文， 20084 吳霞.用Oread PSpice9.2仿真分析輸出電壓可調(diào)的直流穩(wěn)壓電源.2006APFC DC (AC/DC) power supply simulation090607344 Zheng Taifeng teacher Liu Jilun lecturersAbstractFor general bridge rectifier (AC/DC) circuit power factor pulse of current issues. AC/DC converter circuit for commonly used in this article have been studied, design of the boost-APFC (Active Power Factor Correction, power factor correction) model and p