基于Matlab的交流斩波型PFC电路仿真研究

0 引 言
    大量电力电子装置和非线性负载的广泛应用，使得电力系统电压及电流波形发生畸变，产生了大量的谐波，导致电源输入功率因数降低，对电网环境造成严重的污染，使用电设备所处环境恶化，也对周围的通信系统和公共电网以外的设备带来危害。为了改善电网环境，必须了解产生谐波污染的原因，并对谐波进行有效的抑制，进行功率因数校正。为了提高供电线路功率因数，保护用电设备，世界上许多国家和相关国际组织制定出相应的技术标准，以限制谐波电流含量。如：IEC555-2，IEC61000-3-2，EN60555-2等标准，规定允许产生的最大谐波电流。我国于1994年也颁布了《电能质量公用电网谐波》标准(GB／T14549-93)。因此，功率因数校正(PFC)技术便成为电力电子研究的热点。

1 谐波的抑制与功率因数校正方法
    解决电力电子装置和其他谐波源的污染问题主要有两种方法：一是采用无源滤波或有源滤波电路来旁路或滤除谐波；二是对电力电子装置本身进行改造，使其补偿所产生的谐波，采用功率校正电路，使其具有功率因数校正功能。
    功率因数校正(PFC)技术主要为无源PFC和有源APFC。无源PFC是采用无源元件来改善功率因数，减小电流谐波的，方法简单但电路庞大笨重，有些场合无法适用，且功率因数一般能达到0．90。有源APFC是将一个变换器串入整流滤波电路与DC／DC变换器之间，通过特殊的控制，强迫输人电流跟随输入电压，使得输入电流波形接近于正弦波，并且与输入电压同相位，提高功率因数，使其达到功率因数为1的目标。反馈输出电压使之稳定，从而使DC／DC变换器的输入事先预稳，该方法设计易优化，性能进一步提高，因此应用广泛。

2 传统功率因数校正电路的结构及其缺点
    基于PFC的拓扑电路的研究现在已经非常成熟，而且得到了十分广泛的应用，使用得最多的是升压斩波(Boost)和降压斩波(Buck)电路。传统的单相功率因数校正电路的结构如图1所示。

    其中，Boost拓扑电路由于结构简单和成本低廉而最为流行，电路中交流电源通过专用整流桥转换成直流，后经过Boost PFC电路输出，该方法具有较好的控制效果，在中小功率电源中应用较为广泛。但其也存在一些缺点：
    (1)任何时刻都有三个半导体器件导通，随着功率的提高，整流桥上消耗的功率也会随之增加，从而提高了电源的发热损失，降低了电源效率；
    (2)该Boost电路有很高的开关频率，增大了电路的开关损耗；
    (3)直流侧的二极管降低了直流电压，增加了电路功耗和不稳定性。
    应用这里所提出的交流斩波功率因数校正电路，可以解决传统校正电路中存在的以上问题。

3 交流斩波功率因数校正器的基本电路和工作原理
3．1 Boost型交流斩波功率因数校正电路
    Boost型交流斩波功率因数校正电路的基本结构如图2所示。

    Q为双向开关管。当开关管导通时，输入电流通过电感和开关管，电感储能，同时直流侧滤波电容给负载供电；当开关管断开时，输入电流经过电感和整流二极管到达负载端，电感储能和交流电源同时给负载和电容供电。
    可以看出，与传统的功率因数校正电路相比较，具有以下优点：当开关管导通时，主回路电流不经过整流桥的二极管，减小了功率损耗；传统电路中的快速恢复二极管VD在交流斩波功率因数校正电路中也不存在了，减小了功率损耗，提高了系统的工作可靠性。
    该电路相当于两个Boost电路的并联，在克服传统Boost PFC电路缺点的同时，保留了升压电路的优点。该方法的优点在于：
    (1)增强了传统PFC电路的谐波抑制和功率因数校正能力，可实现单位功率因数；
    (2)交流侧的电感增强了电路的电磁兼容性；
    (3)降低了电路的传导损失，任何时刻都只有两个半导体器件导通；
    (4)通过开关管M1和M2的额定电流较小。
3．2 Buck型交流斩波功率因数校正电路
    图3所示的为Buck功率因数校正电路的基本结构，Q为双向开关管。当开关管断开时，输入电流通过电感、电容和开关管，电容C1储能。

    当开关管导通时，此时输入电流经过整流二极管到达负载端，电容储能和交流电源同时给负载和电容供电。可以看出，Buck型交流斩波功率因数校正电路中，当开关管断开，主回路电流不经过整流桥的二极管，可达到减小功率损耗的目的。

4 仿真分析
    Simulink软件是Matlab软件包的扩展，专门用于动态系统的仿真，具有很强的动态系统仿真能力，仿真速度较快，特别是基于simuIink Power System工具箱进行功率因数校正电路的仿真，有两个优点：
    (1)基于器件模型，可以仿真器件参数变化对系统的影响；
    (2)仿真模型复杂。精度较高。可以将计算机仿真技术运用到PFC装置的分析和设计中。
    以Boost型为例，对文中所提出的交流斩波功率因数校正电路进行仿真分析。功率因数校正电路采用输入电流断续工作模式的峰值电流控制，仿真参数：uin=311sin ωt，L=0．7 mH，输出功率P=500 W，uout=300 V。按图4模型建模，仿真波形如图5、图6所示。其中，图5为输入电压、电流的波形，图6为输出电压的波形。

    从图5可以看出，输入电压和输入电流进入稳态后，输入电压和输入电流相位几乎一致，输入电流也几乎是正弦波。整个仿真时间段内的功率因数约为0．997。从图6可看出，输出电压随着仿真时间的进行，逐渐趋于稳定状态，输出电压在300 V上下波动，符合电路设计要求。

5 结 语
    这里讨论了应用较为成熟的单相Boost PFC电路的不足，介绍一种新型单相交流斩波功率因数校正电路，分析了其工作原理，并给出了仿真波形。结果表明，输人电流具有很高的品质因数，基本为标准的正弦波形，与输入电压相位相近，实现了高功率因数。与传统的电路相比，能减少系统的功耗，提高系统工作的可靠性，而取得相同的控制效果。仿真结果验证了方案的可行性。方案中的交流斩波电路除了采用Boost型和Buck型外，也可采用其他的功率变换电路。