《電子技術應用》
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基于Matlab的交流斬波型PFC電路仿真研究
摘要: 這里討論了應用較為成熟的單相Boost PFC電路的不足,介紹一種新型單相交流斬波功率因數校正電路,分析了其工作原理,并給出了仿真波形。結果表明,輸人電流具有很高的品質因數,基本為標準的正弦波形,與輸入電壓相位相近,實現了高功率因數。
Abstract:
Key words :

  0 引 言

  大量電力電子裝置和非線性負載的廣泛應用,使得電力系統電壓及電流波形發生畸變,產生了大量的諧波,導致電源輸入功率因數降低,對電網環境造成嚴重的污染,使用電設備所處環境惡化,也對周圍的通信系統和公共電網以外的設備帶來危害。為了改善電網環境,必須了解產生諧波污染的原因,并對諧波進行有效的抑制,進行功率因數校正。為了提高供電線路功率因數,保護用電設備,世界上許多國家和相關國際組織制定出相應的技術標準,以限制諧波電流含量。如:IEC555-2,IEC61000-3-2,EN60555-2等標準,規定允許產生的最大諧波電流。我國于1994年也頒布了《電能質量公用電網諧波》標準(GB/T14549-93)。因此,功率因數校正(PFC)技術便成為電力電子研究的熱點。

  1 諧波的抑制與功率因數校正方法

  解決電力電子裝置和其他諧波源的污染問題主要有兩種方法:一是采用無源濾波或有源濾波電路來旁路或濾除諧波;二是對電力電子裝置本身進行改造,使其補償所產生的諧波,采用功率校正電路,使其具有功率因數校正功能。

  功率因數校正(PFC)技術主要為無源PFC和有源APFC。無源PFC是采用無源元件來改善功率因數,減小電流諧波的,方法簡單但電路龐大笨重,有些場合無法適用,且功率因數一般能達到0.90。有源APFC是將一個變換器串入整流濾波電路與DC/DC變換器之間,通過特殊的控制,強迫輸人電流跟隨輸入電壓,使得輸入電流波形接近于正弦波,并且與輸入電壓同相位,提高功率因數,使其達到功率因數為1的目標。反饋輸出電壓使之穩定,從而使DC/DC變換器的輸入事先預穩,該方法設計易優化,性能進一步提高,因此應用廣泛。

  2 傳統功率因數校正電路的結構及其缺點

  基于PFC的拓撲電路的研究現在已經非常成熟,而且得到了十分廣泛的應用,使用得最多的是升壓斬波(Boost)和降壓斬波(Buck)電路。傳統的單相功率因數校正電路的結構如圖1所示。

傳統的單相功率因數校正電路的結構

  其中,Boost拓撲電路由于結構簡單和成本低廉而最為流行,電路中交流電源通過專用整流橋轉換成直流,后經過Boost PFC電路輸出,該方法具有較好的控制效果,在中小功率電源中應用較為廣泛。但其也存在一些缺點:

(1)任何時刻都有三個半導體器件導通,隨著功率的提高,整流橋上消耗的功率也會隨之增加,從而提高了電源的發熱損失,降低了電源效率;
(2)該Boost電路有很高的開關頻率,增大了電路的開關損耗;
(3)直流側的二極管降低了直流電壓,增加了電路功耗和不穩定性。
應用這里所提出的交流斬波功率因數校正電路,可以解決傳統校正電路中存在的以上問題。

  3 交流斬波功率因數校正器的基本電路和工作原理

  3.1 Boost型交流斬波功率因數校正電路

  Boost型交流斬波功率因數校正電路的基本結構如圖2所示。

Boost型交流斬波功率因數校正電路的基本結構

  Q為雙向開關管。當開關管導通時,輸入電流通過電感和開關管,電感儲能,同時直流側濾波電容給負載供電;當開關管斷開時,輸入電流經過電感和整流二極管到達負載端,電感儲能和交流電源同時給負載和電容供電。
可以看出,與傳統的功率因數校正電路相比較,具有以下優點:當開關管導通時,主回路電流不經過整流橋的二極管,減小了功率損耗;傳統電路中的快速恢復二極管VD在交流斬波功率因數校正電路中也不存在了,減小了功率損耗,提高了系統的工作可靠性。

  該電路相當于兩個Boost電路的并聯,在克服傳統Boost PFC電路缺點的同時,保留了升壓電路的優點。該方法的優點在于:

(1)增強了傳統PFC電路的諧波抑制和功率因數校正能力,可實現單位功率因數;
(2)交流側的電感增強了電路的電磁兼容性;
(3)降低了電路的傳導損失,任何時刻都只有兩個半導體器件導通;
(4)通過開關管M1和M2的額定電流較小。

  3.2 Buck型交流斬波功率因數校正電路

  圖3所示的為Buck功率因數校正電路的基本結構,Q為雙向開關管。當開關管斷開時,輸入電流通過電感、電容和開關管,電容C1儲能。

Buck功率因數校正電路的基本結構

  當開關管導通時,此時輸入電流經過整流二極管到達負載端,電容儲能和交流電源同時給負載和電容供電??梢钥闯觯珺uck型交流斬波功率因數校正電路中,當開關管斷開,主回路電流不經過整流橋的二極管,可達到減小功率損耗的目的。

  4 仿真分析

  Simulink軟件是Matlab軟件包的擴展,專門用于動態系統的仿真,具有很強的動態系統仿真能力,仿真速度較快,特別是基于simuIink Power System工具箱進行功率因數校正電路的仿真,有兩個優點:

  (1)基于器件模型,可以仿真器件參數變化對系統的影響;
(2)仿真模型復雜。精度較高。可以將計算機仿真技術運用到PFC裝置的分析和設計中。

   以Boost型為例,對文中所提出的交流斬波功率因數校正電路進行仿真分析。功率因數校正電路采用輸入電流斷續工作模式的峰值電流控制,仿真參數:uin=311sin ωt,L=0.7 mH,輸出功率P=500 W,uout=300 V。按圖4模型建模,仿真波形如圖5、圖6所示。其中,圖5為輸入電壓、電流的波形,圖6為輸出電壓的波形。

仿真分析

 

  從圖5可以看出,輸入電壓和輸入電流進入穩態后,輸入電壓和輸入電流相位幾乎一致,輸入電流也幾乎是正弦波。整個仿真時間段內的功率因數約為0.997。從圖6可看出,輸出電壓隨著仿真時間的進行,逐漸趨于穩定狀態,輸出電壓在300 V上下波動,符合電路設計要求。

  5 結 語

  這里討論了應用較為成熟的單相Boost PFC電路的不足,介紹一種新型單相交流斬波功率因數校正電路,分析了其工作原理,并給出了仿真波形。結果表明,輸人電流具有很高的品質因數,基本為標準的正弦波形,與輸入電壓相位相近,實現了高功率因數。與傳統的電路相比,能減少系統的功耗,提高系統工作的可靠性,而取得相同的控制效果。仿真結果驗證了方案的可行性。方案中的交流斬波電路除了采用Boost型和Buck型外,也可采用其他的功率變換電路。

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