基于Matlab的无桥PFC电路仿真

乔琳君

（西安航空职业技术学院 陕西 西安 710089）

随着电力电子技术的发展，电网中整流器、开关电源等非线性负载不断增加。这些存在冲击性的用电设备，将引起网侧输入电流发生严重畸变，产生大量谐波污染，导致电网功率因数过低，所以提高功率因数势在必行[1]。

早期功率因数校正采用在整流器后加滤波电感电容实现，功率因数一般只有0.6左右；在20世纪90年代，有源功率因数校正（APFC）产生，是在整流器和负载之间接入一个DC/DC开关变换器，应用电流反馈技术，使输入端电流波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使输入电流波形接近正弦，功率因数可提高到0.99以上。由于该方案采用了有源器件，故称为有源功率因数校正APFC。

1 有源功率因数校正主电路拓扑

1.1 传统Boost拓扑

传统Boost PFC电路由整流桥和PFC组成，如图1所示。

传统Boost PFC电路工作时通过控制开关管的动作，采用反馈来控制电流波形，这样可以使交流网侧输入电流跟踪输入交流电压而接近正弦波，来提高功率因数。但其流通路径有3个半导体工作，当变换器功率和开关频率提高时，系统的系统通态损耗明显增加，整体效率低[2-5]。

图1 传统Boost PFC电路拓扑Fig.1 The traditional Boost PFC circuit topology

1.2 无桥boost拓扑

1983年罗克韦尔（Rockwell）自动化公司率先提出了无桥PFC拓扑结构[6-7]，基本型无桥Boost PFC省掉了整流桥，所用开关器件少，具有通态损耗低、效率高的优点。针对传统有桥电路的问题，本文选用既能提高PF而且通态损耗低的无桥电路，如图2所示。

图2 无桥PFC电路拓扑Fig.2 No bridge PFC circuit topology

1.3 无桥PFC工作原理

无桥PFC电路共有4个工作模态，其中模态一和模态二为交流侧在正半周的工作模态，其中模态三和模态四为交流侧在负半周的工作模态，图3中黑实线为电路在各模态工作时电流路径。

模态一：VD1，VD2反偏截止。VT1导通，电流经VT1，VT2的体二极管给电感储能。电感电流线性增加。负载由储能电容C提供能量。

模态二：VD1正偏导通，电流经电感，VD，VT2的体二极管构成回路。此过程中电感释放能量，电感电流下降。电感和电源串联向电容C及负载供电。

图3 无桥PFC电路工作模态Fig.3 No bridge PFC circuit work mode

模态三：VD1，VD2反偏截止。控制VT2导通，输入电流经VT2通过VT1的体二极管给电感L1，L2储能。负载由储能电容为其提供能量。

模态四：VT2关断，VD2正偏导通，输入电流经电感，VD2，通过VT1的体二极管构成回路。此过程中电源和电感共同向负载供电。

由以上看，无桥PFC与有桥PFC相比，无桥拓扑用两个MOSFET取代传统整流桥下桥臂的两个二极管，可节省功率器件，精简电路拓扑，降低系统损耗，提高系统效率[4]。

1.4 无桥PFC的优化

由以上知，基本无桥PFC电路具有一定优点：像器件少、损耗低、效率高等。但同时存在一定的问题[5]：

1）EMI严重

从图2看出，由于PFC电感直接与输入电源相连，对高频干扰信号来说电感相当于开路，这样会导致电路各点电位都会随开关频率发生变化，电路中电位变化会在各点与大地之间存在的寄生电容内形成共模电流，由于电路中各点电位都处于浮动状态，所以产生的共模电流也比传统Boost PFC电路大得多，所以基本无桥电路的共模干扰比较严重，EMI问题突出。

2）电流采样难

由图3可知，在任意一个开关周期内，无桥Boost PFC电路都不能在一条回路上得到极性一致的电流采样信号，所以需要构建比较复杂的电流检测电路。

为解决基本无桥PFC电路的共模干扰严重、电流采样难的问题，在基本无桥PFC电路上增加两个快恢复二极管，如图4所示，VD3、VD4的阴极直接与电源输入端相连，而在VD3、VD4的阳极和VT1、VT2的源极之间加一采样电阻Rs，这样采样电阻上的电压就可以完全反映电感中的电流，从而减化电流检测电路。

图4 双二级管式无桥PFCFig.4 Pairs of secondary pipe bridge PFC

2 控制方案

功率因数校正的目的是让输入电流能够跟随输入电压波形为正弦波，且二者基本同相位；传统的控制方案有3种即峰值电流控制、滞环电流控制、平均电流控制。但传统方案必须以乘法器为核心，使得控制电路复杂，接口设计繁琐等。

2.1 单周期控制思想

单周期控制是美国加州大学的Smedley K M博士在20世纪90年代初提出的一种大信号、非线性PWM控制方式，是一种不需乘法器的新控制方法[4]。单周期控制的最大特点是：通过控制开关的占空比，让电路无论处在稳态还是瞬态都能使受控量的平均值恰好等于或正比于给定Vref，从而在一个周期内有效地抑制了电源侧的扰动。单周期控制技术在控制回路中不需要误差综合，系统响应快、开关频率恒定、电流畸变小、易于实现等优点，成为适用于PFC电路的新型控制技术。

2.2 单周期控制过程

单周期工作波形如图5所示。

图5 单周期控制波形图Fig.5 Single cycle control waveform figure

单周期控制环路包括电流内环和电压外环，电流环采用了内嵌式的输入电压信号，通过脉宽调制调节与输入电压相关的占空比，使输入平均电流跟随输入电压且为正弦波，只要电路工作在连续模式，这种跟踪关系就能维持。主电路输出电压经分压电阻接入VFB与基准电压VREF比较后得到调制电压Vm。Vm分为两路，其中：Vm与电流检测端输入信号IinRs经过运算得到Vm-IinRs，作为一路；另一路由调制电压 Vm，经过带触发器的积分器得到三角波 ∫Vmdt，在CLOCK脉冲来临时，积分器工作，然后以上两路信号接入比较器进行比较，当 Vm-IinRs＞ ∫Vmdt时，比较器输出为 1，发出驱动信号，开关管开通；当Vm-IinRs≤ ∫Vmdt时，比较器输出为0，开关管关断。

3 实验与结论

本文采用Matlab Simulink搭建仿真电路，其中ui=15 V，Uo=20 V，F=100 kHz，C=0.4 F，L=8e-6 H。

3.1 基于单周期控制的驱动电路

基于单周期控制原理和图5单周期工作波形，建立开关管的驱动控制系统，如图6所示。

图6 驱动电路Fig.6 Driver circuit

3.2 仿真电路

由以上的开关管驱动子系统，Matlab Simulink中的SimPowersystems模块集里的Active&Reactive Power模块搭建无桥有源功率因数校正仿真电路。

图7 仿真总图Fig.7 Simulation assembly drawing

3.3 仿真结果

以下图8～11依次给出交流侧输入电流电压波形，输出直流电压波形，功率因数及输入电流的FFT分析结果。

图8 输入电压电流波形Fig.8 Input voltage and current waveform

图9 输出电压波形Fig.9 Output voltage waveform

图10 功率因数Fig.10 Power factor

3.4 实验结论

图11 输入电流谐波分析Fig.11 Input current harmonic analysis

由图8看出输入电流能够跟随输入电压波形为正弦波，且基本同相位；由图9看出输出电压达到设计要求，纹波电压很小；由图10看出，电路稳定后功率因数基本接近于1；由图11看出输入电流总谐波畸变率为6.34%，满足标准。综上，基于Matlab的单周期控制的无桥PFC功率因数校正好，开关器件少，损耗低，控制方案简单，达到PF校正目的。

4 结束语

文中主要采用单周期控制方案对无桥Boost PFC进行仿真。在控制方案上选用无需乘法器的单周期控制使得控制电路简单，主电路选用开关器件少，功耗低的无桥Boost电路。采用Matlab软件对所设计的电路进行仿真，仿真表明单周期控制的无桥PFC达到功率因数提高的目的。

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