基于Matlab的高功率因數校正技術的仿真

1.引言

　　由近年來，隨著電子技術的發展，各種辦公自動化設備，家用電器，計算機被大量使用。這些設備的內部都需要一個將市電轉化為直流的電源部分。在這個轉換過程中，由于一些非線形元件的存在，導致輸入電流電壓雖然是正弦的，但輸入的交流電流卻嚴重畸變，包含大量諧波。而諧波的存在，不但降低了輸入電路的功率因數，而且對公共電力系統產生污染，造成嚴重的電路故障。正因為如此許多國家制定了相應的技術標準，用以限制諧波電流的含量。例如IEC 555-2﹑IEC 61000-3-2﹑EN 60555-2﹑GB/T 4549-1993等標準，規定了允許用電電氣設備產生的最大諧波電流。由此可見，由此可見消除諧波電流和提高功率因數有非常重要的意義。在整流輸出電路后采用有源功率因數校正技術能夠有效地解決上述問題，實現各種電源裝置網側電流正弦化，使功率因數接近1，并且極大地減少諧波電流，消除無功損耗。然而在有源功率因數校正中控制方式又分為模擬和數字控制方式，控制方式的選取對減少電流諧波和提高功率因數有重大影響。因此本文重點介紹模擬控制器和數字控制器在Boost單相功率因數校正變換電路中的應用，并論證了數字控制方式將逐步取代模擬控制方式，在不遠的將來成為PFC中的主流控制方式。

　　2.有源PFC的工作模式和控制方式

　　根據電感電流是否連續，PFC電路的工作模式可分為不連續導電模式(DCM)和連續導電模式（CCM）。DCM模式的PFC電路一般用于電壓控制型而且功率小于200W，CCM模式的控制方法比較復雜，一般用于電流控制型并且功率大于200W以上的PFC電路。有源PFC電路的電流控制型控制方式分為峰值電流控制，滯環電流控制和平均電流控制，本論文中選用的控制方法是平均電流控制法。

　　3.功率因數校正的必要性

　　一般開關電源的輸入整流電路部分為圖1所示：

圖1? 整流電路圖

　　例如在離線式開關電源的輸入端，AC電源經全波整流后，一般接一個大電容器，以得到波形較為平直的直流電壓。整流器-電容濾波電路是一種非線形元件和儲能元件的組合。因此輸入交流了電壓雖然是正弦的，但輸入交流電流波形卻嚴重畸變，呈脈沖狀，其結果可以由如圖１所示整流電路在Matlab的Simulink中仿真結果得到驗證。從圖2可以看出，輸入電流

圖2? 整流電路輸入點壓電流仿真圖

　　發生了嚴重畸變。因此，大量應用整流電路，要求電網供給嚴重畸變的非正弦電流，造成的嚴重后果是：諧波電流對電網有危害作用，輸入端功率因數下降。為了消除電流諧波和提高功率因數，必須在電路整流后加入功率因數校正電路。應用最廣泛的是單相Boost有源功率因數校正變換電路，如圖３所示。

圖3 單相Boost功率因數校正原理圖

　　在上述單相Boost功率因數校正電路中，最關鍵的部分是控制系統的設計，控制方式的選取又是控制系統設計的核心。控制電路可以一般選用模擬控制器和數字控制器,下面將詳細的分析模擬控制器和數字控制器在單相Boost功率因數校正電路中應用。

　　4.模擬控制PFC的實現

　　4.1模擬控制的PFC模型[1]

　　單相Boost功率因數校正電路中的模擬控制方法應用比較廣泛，目前已經有現成的商業化集成電路芯片，如TI/Unitrode公司的 UC3854，Fairchild公司的ML4812以及Stmicroelectronics公司的L6561等，圖4是基于UC3854的模擬控制電路結構方框圖。圖中Boost變換器工作在連續導電模式下，其電感電流就是輸入電流。電感電流被采樣并被控制，其幅值與輸入電壓同相位的正弦參考信號成正比，從而達到功率因數校正的目的；乘法器方式PFC電路還可以根據輸出電壓反饋信號，利用一個乘法器電路來控制正弦參考電流信號，從而獲得可調整的輸出電壓；同時，也具有輸出電壓的平均值。實際上模擬控制器可以概括為兩個控制環，內環電流環，作用是使輸入電流跟蹤輸入電壓，外環電壓環，作用是穩定輸出電壓。

?　　4.2模擬控制PFC的設計

　　基于UC3854的模擬PFC如圖4所示：電路的顯著特點是引入儲能電感L和乘法器M。儲能電感L與高頻開關S的配合起到電流分配器的作用，當開關管S導通時，二極管D截止，電流流過電感L；當開關管S斷開時，二極管D導通，L將儲存的能量為負載供電。在二極管D截止期間，負載電流靠輸出電容Co來維持。如果按照交流線電壓的正弦波形變化規律來控制開關管S的導通和截止，有可能使通過儲能電感L的電流波形正弦化。這里電流乘法器M起著很關鍵的作用，乘法器M實際上是一個工作頻率正比于正弦線電壓頻率的電流源，該電流源充當PWM比較器的參考信號iref 與電路回路電流信號if進行比較，并將其誤差轉換成驅動高頻開關管S的一系列脈沖控制信號。由于參考信號iref完全跟蹤交流市電輸入正弦波電壓的全波整流輸出的正弦信號，這一系列控制脈沖信號的占空比也是嚴格按正弦分布?？刂七^程是一個深度電流負反饋過程，從而實現交流市電輸入電流波形包括的正弦化。另外，電流乘法器M的輸出電流iref還反比于Boost PFC電路的輸出電壓Vo或正比于輸出電壓比較器的輸出電壓Ve,這意味著Vo也在左右PWM比較器的電流參考信號iref，使Boost PFC電路的輸出電壓Vo穩定不變。因此乘法器M起雙重作用，強制輸入電流信號的正弦化和穩定輸出電壓Vo。據圖4和UC3854的功能可在Matlab 的Simulink中設計模擬仿真模型圖[2]。?

圖5? Boost PFC模擬控制器輸入電壓電流仿真

　　4.3仿真結果及分析

　　仿真參數：輸入電壓交流VAC=220V；升壓電感L=1mh；輸出電容Co=1410；fk=50Khz；Ro=50 。圖5所示的是模擬PFC仿真結果：從圖中我們可以看出，模擬控制PFC使輸入電流較好地跟隨了輸入電壓，并且降低了諧波電流，達到了功率因數校正的目的。由此可知單相Boost PFC電路的模擬控制方法優點是簡單直接，設計方便；缺點是控制電路所用的元器件比較多，調試麻煩，電路維護成本高和不易升級；另外電路適應性較差，容易受到噪聲干擾和環境的影響。

　　5.數字控制PFC的實現

　　5.1數字控制的PFC模型

　　如圖6所示是基于 DSP（TMS320LF2407）的數字控制PFC模型，同圖4模擬Boost PFC的相比較，原理是一樣的，區別就是用兩個數字的比例積分控制器（PI）Ki﹑Ku代替了原來的兩個誤差放大器。另外，在電壓PI的輸出端加了一個陷波濾波器，濾波頻率為100HZ。與模擬濾波器相比，數字濾波器可以很好的減少100HZ的諧波成分，同時引入相位影響要小很多。這樣，就可以提高電壓回路的帶寬，繼而提高電路的反映速度。在圖6中，三個采樣信號被采樣，分別是輸出電壓Vi,輸入電流Ii和輸出電壓Vo。其中值得注意的一點是，我們可以編程實現總是在開關閉合的中間時間對is采樣，從而不需要另加低通濾波器就可以is的平均值。

　　5.2 數字控制PFC設計[1]。

　　接下來，我們分別建立PI控制器和陷波器的數字模型。PI控制算法的模擬表達式為：

? （1）

　　對（1）進行離散化處理得到：

　　 （2）

　　式中： 為比例系數； 為積分系數；

　　T為采樣周期； 為積分時間常數。

　　PI系數的確定通常通過實驗確定，或通過湊試，或者通過經驗公司來確定。

　　陷波濾波器的設計可根據公式（3）確定

　?。?）

　　式中： 是濾波頻率的角速度；Q值按不同的要求確定。離散化可以由Matlab的sysd=c2d(sys,Ts)方程方便的實現。

　　5.3 DSP控制的實現[3]

　　這里采用TI公司的16位TMS320LF2407來實施控制方案。對電流回路和電壓回路分別采用20kHz和10kHz的控制頻率。兩個中斷程序INT2和INT3用來完成PFC的數字控制，其中斷程序 INT2負責3個輸入的采樣以及電流回路的PI控制，中斷程序INT3負責電壓回路的PI控制以及陷波濾波。圖10是主程序控制流程圖，其中INT2的中斷優先級高于INT3,所以當INT3沒有完成而INT2中斷發生時，INT3將懸掛，直到INT2中斷程序運行結束后才能繼續運行。

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圖7　主程序流程圖

?　　5.4? 仿真結果及分析

　　根據圖6和TMS320LF2407的特性在Matlab的Simulink中進行仿真得到仿真圖如圖8所示，由圖可知，DSP數字控制PFC使輸入電流很好地跟隨輸入電壓，而且完全消除了高次諧波電流，實現了功率因數校正的目的。從這里可以看出單相Boost PFC電路的數字控制的優點是元器件少，便于系統調試和維護；另外DSP內部的數字處理不會受到電路噪聲的影響，避免模擬信號傳遞的畸變﹑失真，因此控制可靠；還有因為軟件中包含復雜的控制系統因而顯著的減少了電路的尺寸。缺點是在整流器件方面采用數字控制研究開展的還不多，成熟的控制算法難以獲得，此外數字控制芯片如DSP的價格相對較高等等。

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圖8? Boost PFC數字控制器輸入電壓電流仿真圖

　　6.結論

　　從上面的分析可以知道，模擬控制器和數字控制器在單相Boost功率因數校正電路中都可以提高功率因數，消除高次諧波電流和降低總諧波畸變因數（THD），完全的實現了功率因數校正的目的，但是數字控制器在相比于模擬控制器，在功率因數校正的效果上更優，且能減少元器件數量和顯著的降低電路的體積；便于電路的維護和升級，且不易受環境的影響。雖然用于數字控制電路中的DSP價格還比較高，但是隨著時代的進步，DSP價格的進一步降低和控制算法的成熟，相信在不遠的將來，數字控制器一定會取代模擬控制器廣泛的應用于PFC電路中。