【導讀】隨著(zhù)電子電力技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對于功率因數的要求也越來(lái)越高。因為一些存在沖擊性的用電設備，很可能由于輸入電流而產(chǎn)生嚴重的畸變，導致諧波被污染。所以，今天給大家帶來(lái)的方案將會(huì )對大家提高功率因數上有很大的幫助！
早期功率因數校正采用在整流器后加濾波電感電容實(shí)現，功率因數一般只有0.6左右;在20世紀90年代，有源功率因數校正(APFC)產(chǎn)生，是在整流器和負載之間接入一個(gè)DC/DC 開(kāi)關(guān)變換器，其基本原理是通過(guò)控制電路強迫交流輸入電流波形跟蹤交流輸入電壓波形，從而實(shí)現交流電流波形正弦化。并與交流輸入電壓波形同步，功率因數可提高到0.99以上。
APFC 電路拓撲
1、傳統有橋APFC拓撲
傳統Boost APFC 電路組成由整流橋和PFC 組成，如圖1所示。工作時(shí)流通路徑有三個(gè)半導體工作，功率因數低。當變換器功率和開(kāi)關(guān)頻率提高時(shí)，系統通態(tài)損耗明顯增加，整體效率低，且控制電路較復雜。
針對傳統有橋電路的問(wèn)題，本文提出了既能提高PF而且通態(tài)損耗低的無(wú)橋電路，如圖2所示。表1為有橋拓撲和無(wú)橋拓撲的對比。
從表1看出，當MOSFET導通和關(guān)斷時(shí)，無(wú)橋APFC相對于有橋APFC 都節省了一個(gè)二極管。經(jīng)過(guò)理論計算后得出，無(wú)橋拓撲APFC 在全功率輸入時(shí)，可提高約1%的效率。而且無(wú)橋拓撲更利于電路集成化。但基本無(wú)橋Boost APFC 電路存在共模干擾嚴重、電流采樣難的問(wèn)題。
3、雙二極管式無(wú)橋APFC拓撲
為了解決基本無(wú)橋Boost APFC 電路EMI 嚴重、電流采樣難的問(wèn)題，對基本無(wú)橋Boost APFC 電路加以改進(jìn)，如圖3所示，在基本無(wú)橋Boost APFC 電路上增加兩個(gè)快恢復二極管VD3和VD4。
圖3中，電阻Rs 為電感中的電流檢測電阻，使電流檢測電路減化。雖然Rs 在工作時(shí)會(huì )產(chǎn)生一定損耗，但只要阻值選擇合適，檢測電阻的損耗占整個(gè)功率損耗的百分比很小。這樣交直流側共地，達到抑制共模干擾的目的。
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4、雙二極管式無(wú)橋拓撲工作原理雙二極管式無(wú)橋電路工作過(guò)程如下：
(1)電源電壓正半周時(shí)，如圖4所示，圖4中粗黑線(xiàn)所示即為輸入電壓正半周時(shí)電流路徑。
模態(tài)二：開(kāi)關(guān)管VT1 關(guān)斷，電感電流突變時(shí)產(chǎn)生的感應電動(dòng)勢使二極管VD1 正偏導通，電流經(jīng)電感L1，VD1，VD3構成回路。此時(shí)電感釋放能量，電容C 及負載RL 由電感和電源串聯(lián)供電。
(2)電源電壓負半周工作模態(tài)如圖5所示，圖5中粗黑線(xiàn)所示即為輸入電壓負半周時(shí)電流路徑。
模態(tài)三：VD1，VD2截止?？刂崎_(kāi)關(guān)管VT2導通，輸入電流從電源正極經(jīng)L2，VT2，VD3回到電源負極形成電流通路，給電感L2 儲能。負載由儲能電容C 提供能量。
模態(tài)四：開(kāi)關(guān)管VT2關(guān)斷，VD2導通，電流經(jīng)電感L2，VD2，VD4構成回路。此時(shí)電感釋放能量，電容C 及負載RL 由電感和電源串聯(lián)供電。
APFC 控制方案
功率因數校正傳統的控制方案有三種即峰值電流控制、滯環(huán)電流控制、平均電流控制。但傳統的控制方案必須以乘法器為核心，使得控制電路復雜。
本文選用無(wú)需乘法器的新控制方法-單周期控制。
單周期控制的最大特點(diǎn)是：通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的占空比，讓電路無(wú)論處在穩態(tài)還是瞬態(tài)都能使受控量的平均值恰好等于或正比于給定VREF，從而在一個(gè)周期內有效地抑制了電源側的擾動(dòng)。單周期控制技術(shù)在控制回路中不需要誤差綜合，具有系統響應快、開(kāi)關(guān)頻率恒定、電流畸變小、易于實(shí)現等優(yōu)點(diǎn)，在A(yíng)PFC電路的新型控制技術(shù)應用廣泛。
IR1150是一種CCM 控制芯片，它采用了IR公司特有的單周期控制技術(shù)，為APFC電路提供了一種低成本、設計簡(jiǎn)單的解決方案。該芯片內部主要由電壓誤差放大器、電流檢測放大器、復位積分器、PWM比較器以及RS 觸發(fā)器組成，另外還有7 V 參考電壓和一些保護電路。核心電路為積分復位器，如圖6所示。
其控制環(huán)路包括電流內環(huán)和電壓外環(huán)，電流環(huán)采用了內嵌式的輸入電壓信號，通過(guò)脈寬調制調節與輸入電壓相關(guān)的占空比，使輸入平均電流跟隨輸入電壓且為正弦波，只要電路工作在連續模式，這種跟蹤關(guān)系就能維持。單周期工作波形如圖7所示。
無(wú)橋APFC 電路仿真
1、仿真電路
本文采用MATLAB Simulink中的SimPowersystems模塊集里的模塊搭建無(wú)橋有源功率因數校正仿真電路，如圖8所示。
仿真參數設計：輸入交流電壓15 V，50 Hz;輸出直如圖8所示，虛線(xiàn)框內為雙二極管式無(wú)橋APFC 主電路。其中：ui是輸入交流15 V 源，VD1~VD4 是快恢復二極管，VT1，VT2 是開(kāi)關(guān)管。L1，L2 為升壓電感，Cout是輸出電容，RL 是直流負載，R1，R2 ，R3 是輸出電壓采樣電阻，Rs 是輸入電流檢測電阻，Subsystem1是功率因數測量子系統。示波器u/i，示波器i，示波器uo，示波器PF分別用來(lái)測量輸入交流電壓電流，輸入交流電流，輸出直流電壓，系統功率因數。
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圖8實(shí)線(xiàn)框內為單周期控制的驅動(dòng)電路，其控制原理是調制電壓Vm 由主電路輸出電壓經(jīng)分壓電阻R3 得到的反饋電壓與7 V基準電壓VREF 比較后所得，并分為兩路：
Vm 與電流檢測信號Iin Rs 經(jīng)過(guò)運算得到Vm - Iin Rs;積分器對調制電壓Vm 積分得到三角波∫Vm dt.
在脈沖來(lái)臨時(shí)，積分器工作，然后以上兩路信號進(jìn)行比較，當Vm - Iin Rs >∫Vm dt 時(shí)，比較器輸出為1，驅動(dòng)開(kāi)關(guān)管開(kāi)通;當Vm - Iin Rs <∫Vm dt時(shí)，比較器輸出為0，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。
2、仿真結果
圖9(a)為輸入電流波形，可以看到電路穩定后，基本為正弦波。圖9(b)是對輸入電流在0.102~0.103 s的仿真時(shí)間內進(jìn)行局部放大，可以清楚地看到輸入電流能及時(shí)地跟蹤輸入電壓，達到功率校正的目的。
經(jīng)過(guò)仿真分析，由圖10看出輸入電流波形為連續的正弦波，與輸入電壓波形同相位。由圖11看出系統穩定后輸出直流電壓達到28 V，滿(mǎn)足設計求。
由圖12看出交流網(wǎng)側功率因數高達0.999.由圖13看出輸入電流諧波畸變率為6.82%，滿(mǎn)足諧波標準。所以，設計的單周期控制的無(wú)橋APFC達到設計目的。
總結：
利用無(wú)橋APFC，主電路所用開(kāi)關(guān)器件少，電路效率高，而且利于電路集成化的特點(diǎn)，有效地提高了功率因數。而本文的控制方案不再需要乘法器，簡(jiǎn)單易于實(shí)現。從仿真結果看，本方案達到了功率因數校正的目的。
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