电能变换与控制（修订版）课件 8-4APFC

8.4有源功率因数校正器8.4有源功率因数校正器针对不可控整流装置对电网造成的谐波污染，除了可以采用7.2节所述的有源电力滤波器(APF)外。另一种方法是在不可控整流装置本身的整流器和滤波电容之间增加一个功率变换电路，它能将整流器的输入电流校正成与电网电压同相位的正弦波电流，在消除谐波电流的同时，还可将电网侧的功率因数提高到近似为1，这就是有源功率因数校正(APFC)。其原理框图如图所示。8.4有源功率因数校正器8.4.1有源功率因数校正的基本原理8.4.2有源功率因数校正器的控制策略8.4.3有源功率因数校正器的实例分析与仿真8.4.4UC3854简介8.4.1有源功率因数校正的基本原理1．谐波产生的原因2．有源功率因数校正器分类

3．单相、单级式升压变换有源功率因数校正电路的工作原理

1．谐波产生的原因传统的不可控整流滤波电路，整流二极管只有在输入电压ui大于负载电压uo时才导通。由于储能滤波电容的存在，只有在电容C充电期间才有电网的输入电流ii，其它时间输入电流为零，该电流为峰值很高的脉冲电流。由于输入电流存在波形畸变因而会导致网侧功率因数下降，并产生高次谐波分量污染电网。1．谐波产生的原因

有源功率因数校正(APFC)技术的基本思想是在整流电路与滤波电容之间加入DC/DC变换电路，通过适当的控制使整流器的输出电流跟随它输出的直流脉动电压波形，且要保持储能电容电压稳定，即保证了输入电流的波形能自动跟随输入电压的波形，在实现稳压输出的同时也使网侧达到单位功率因数输入。2．有源功率因数校正器分类随着有源功率因数校正技术的发展，功率因数校正器种类也越来越多，按相数可分为单相和三相功率因数校正器；按DC/DC变换的级数可分为双级式功率因数校正器和单级式功率因数校正器，如图；还可以按DC/DC变换的性质分为升压功率因数校正器和降压功率因数校正器等等。由于升压斩波变换电路具有控制容易，输入电流可以连续且纹波电流较小等诸多优点，因而得到了广泛的应用。因此，本书主要讲述常用的单相、单级式升压变换功率因数校正电路的工作原理。(a)单级式(b)双级式3．单相、单级式升压变换有源功率因数校正电路的工作原理单相、单级式升压变换有源功率因数校正电路的工作过程为通过升压斩波变换电路调节开关管开关的占空比，控制已整流后的电流，使之在对滤波电容充电之前能与整流后的电压波形相同，从而避免形成电流脉冲，达到改善功率因数的目的。有源功率因数校正电路的主电路是一个全桥整流器，实现AC/DC变换；在滤波电容C之前是一个升压斩波变换电路，实现升压式DC/DC变换。从控制回路来看，它由一个电压外环和一个电流内环构成。在具体工作时，通过控制VT的开关频率或调节其PWM的占空比使整流后的电流跟随整流后电压的波形。

升压斩波变换电路输出电容电压uc与给定电压U*c做差后进行PI调节，PI调节的输出与整流输出电压信号ud后生成电流指令信号I*s构成电压外环。电流指令信号I*s与电感支路的反馈电流做差形成电流内环，产生PWM波，使电感支路的电流随整流输出电压ud变化而变化，从而网侧的电流与电压同相且为正弦即功率因数为1。升压变换器输出的电压即电容电压uc与给定电压U*c作比较的目的是判断输出电压是否与给定电压相同，如果不相同，可以通过调节器调节使之与给定电压相同，达到稳压的目的，这就是电压环的作用。而整流器输出电压ud显然是正弦半波电压波形，它与调节器输出结果相乘后波形不变，所以很明显也是正弦半波的波形且与ud同相。将乘法器的输出作为电流环的给定指令电流信号I*s，才能保证被控制的电感电流iL与电压波形ud一致。I*s的幅值与输出电压uc同给定电压U*c的差值有关，也与ud的幅值有关。L中的电流检测信号iL与I*s构成电流环，根据采用的控制方法产生PWM信号，即开关VT的驱动信号。VT导通，电感电流iL增加。当iL增加到等于指令电流I*s时，VT截止，这时使二极管导通，电源和L释放能量，同时给电容C充电和向负载供电，这就是电流环的作用。在电压外环和电流内环的作用下完成APFC的功能。8.4.2有源功率因数校正器的控制策略由于有源功率因数校正(APFC)主功率变换结构的不同，采用的控制方法也不一样。但所需控制的变量都有两个，首先，必须保证输出电压是恒定的直流电压。其次，必须使输入电流跟踪输入电压，使之与输入电压同频同相，保证输入端口针对交流电网呈现“纯阻性”

。为达到上述控制目标，目前有多种不同的控制方案，以满足不同性质的整流器和不同应用场合的需要。根据电感电流是否连续，APFC可分为不连续导电模式(DCM)和连续导电模式(CCM)两种控制，在CCM下用乘法器实现PFC，而在DCM下，则可用电压跟随器方法实现PFC。其中，在CCM模式控制中，根据是否选取瞬态电感电流作为反馈量和被控制量，又可分为间接电流控制和直接电流控制两大类:引入电流反馈的称为直接电流控制，没有引入电流反馈的称为间接电流控制。但目前常用的控制方法主要有三种：峰值电流控制、滞环电流控制和平均电流控制法。这三种控制方法的特点如表所示：1.峰值电流控制法开关导通时，iL从零逐渐开始上升；iL的峰值刚好等于指令电流给定值I*s。开关VT截止，电感电流iL开始下降；即开关VT导通时，电感电流上升；开关VT截止时，电感电流下降。电感电流iL的峰值包络线就是I*s

。因此，这种电流临界连续的控制方式又叫峰值电流控制法。峰值电流控制法，电感电流峰值按工频变化。从零变化到最大值时，占空比由大逐渐变小。从最大值变化到零时，占空比由小逐渐变大，因此有可能产生次谐波振荡。为了防止该现象的发生，一般在比较器的输入端增加一个斜率补偿函数，以便在占空比变化较大时电路能稳定工作。有关次谐波振荡和斜率补偿函数进一步的知识请参阅相关文献，本书不再详述。峰值电流控制法原理图峰值电流控制方式波形图2．电流滞环控制法滞环控制法的指令电流的生成方法和峰值检测方法一样，主电路的输出电压与给定基准电压值比较后，输入给PI调节器，PI调节器的输出和整流后的输入电压标幺值相乘作为指令电流。与检测的实际电流做差，然后进行滞环调节。使电感电流跟随电压变化，使电网侧达到单位功率因数。滞环电流控制法和其它变换器采用该方法一样，其频率不固定，对滤波器设计和开关器件选取都带来一定的困难。但采用微处理器控制时一般采用定时比较法，可以克服频率不固定的问题。滞环电流控制法原理图滞环电流控制方式波形图3．平均电流控制法平均电流控制法中指令电流的产生与峰值电流控制法、滞环电流控制法也一样，不同之处是实际电流经电流误差放大器或动态补偿器代替电流比较器。输出的结果与锯齿波或三角波比较，产生PWM波控制开关器件，达到稳定电压和控制输入电流与输入电压同相的目的。从图中的波形可知，这种方式可以控制电感电流iL在给定指令电流I*s曲线上，由高频折线来逼近正弦曲线，I*s反映的是电流的平均值，因此这种电流连续的控制方式又叫平均值控制法。这种方法和2.4节讲述的三角波比较类似，利用DSP控制实现该控制算法时可采用增减计数或连续增计数模式来实现。该内容将在本节稍后的实例中应用。平均电流控制法原理图平均电流控制方式波形图小结平均电流控制法和滞环电流控制法相比，其开关频率固定便于控制；和峰值电流控制方式相比，其电流的纹波较小，THD值更低。它可应用于连续和不连续模式，因此在实际中应用较多。但平均电流控制时，在正弦半波内，电感电流不到零，每次DC/DC开关导通之前，电感L和二极管VD中都有电流,因此开关开通的瞬间，L中的电流、二极管VD中的反向恢复电流对直流转换电路中的开关器件VT和二极管VD的寿命会造成不利的影响，在选择元件时要特别注意。8.4.3有源功率因数校正器的实例分析与仿真

1.主电路参数确定2.实例仿真1.主电路参数确定

有源功率因数校正的主电路器件包括整流二极管、功率开关管、电感、串联二极管和电容，其中整流二极管、功率开关管和串联二极管的选取和其它应用电路一样主要考虑的因素有耐压、电流、损耗和开关频率等，本节不再叙述。

在CCS模式下，电感值的选取和输出功率以及开关频率有关。电感值的大小决定了输入端高频纹波电流的大小，应按照限制电流脉动最小的原则进行升压电感值的设计。参照第3.2节相关内容有：1)升压电感的确定：电感电流的最大峰值IPK出现在电网电压最低且负载最大时，其值为Pin是输入功率；Uin(min)是输入电压的最低值。若允许的电感电流有d%的波动，则电感电流最大波动量为针对APFC在IPK时的占空比针对APFC计算升压电感为2)滤波电容的确定APFC电路的输出电容的选择，主要要考虑输出电压的大小及纹波值、电容允许流过的电流值、等效串联电阻的大小、容许温升等众多因素。此外，稳压电源还应要求在输入交流电断电的情况下，电容容量足够大以保证一定的放电维持时间。则依据能量守恒有：

则电容值为：式中，Po是输出功率(W)；Δt是设定的维持时间(S)；Uo，Uomin分别是输出电压的最大值和最小值，单位为(V)。根据上述计算输入电感：2mH，实际仿真时取8mH。输出电容选择涉及的因素有开关频率、纹波电流、二次谐波纹波电流、直流输出电压、输出纹波电压和维持时间。输出电容为：式中，Po是输出功率(W)；Δt是设定的维持时间(S)；Uomax，Uomin分别是输出电压的最大值和最小值，单位为(V)。2.实例仿真实例要求：输入电压：220V/50Hz，输出电压：400V，输出功率：1000W，开关频率:20kHz。效率为90%，维持时间Δt取20ms，输出电压纹波取为5%，根据上述分析进行计算并留有一定裕量取电感值为：8mH，电容为2200μF。仿真环境采用Matlab/Simulink进行仿真，采用平均电流控制法，单相BoostFPC电路仿真的具体参数如下：输入电压：220V/50Hz；输出电压：400V；输出功率：1000W；输入电感：8mH；输出电容：2200μF；开关频率：20kHz；电流环PI参数：kpi=0.5,kIi=10；电压环PI参数：kPu=30,kIu=100。8.4.4UC3854简介有源功率因数校正专用控制芯片有很多种，其中UC3854是一种常用的有源功率因数校正专用控制芯片。它可以完成升压变换器校正功率因数所需的全部控制功能，该控制器采用平均电流型控制，控制精度高，开关噪声较低。可使