基于PSIM仿真的单相有源功率因素校正电路分析

焦俊生

（铜陵学院电气工程学院 安徽铜陵 244061）

科技的发展让人们的生活越来越便利，大量的各种电源已广泛用于工农业生产中，传统的交流到直流的电压转换由相位控制或二极管整流器。由于大量的非线性负载的存在，使输入电流产生相移及失真，网侧交流注入端会产生谐波污染，市电能源使用质量下降。若没有用功率因素（Power Factor,PF）校正电路，电力公司必须提供更多电能。因此，为了提升功率因素，交流到直流整流器必须具备功率因素校正能力。

功率因素校正电路较简单的做法是在交流电源侧加入一些额外的电感、电容或两者混合方式实现，达到功率因素校正的效果，型式通常有LC型、π型校正电路，此法称为被动式或无源式校正电路。优点是电路简单，容易实现，但电感与电容会增加产品的体积和重量，同时产品的整体效率低下，改善效果有限。相对而言，发展较成熟的主动或有源功率因素校正，也就是APFC(Active Power Factor Correction)技术[1-2]，已经完全取代早期被动式做法，成为目前主流。它是在桥式整流器与负载中间，加入主动式切换开关电路，实现电力转换。再经适当控制，使得PF能够趋近于1，同时能够实现稳定的直流输出。

本文以常用的升压型BOOST APFC为例，采用电压环反馈控制，稳定输出电压，反馈电流环跟踪控制，让交流网侧输入端电流跟随交流输入正弦电压波形，这样即能提高电路的PF值，又能抑制输入电流谐波成份，降低总谐波畸变率THD(Total Harmonic Distortion)的值。

一、功率因数的定义

由于大多数电器或电子产品为非线性负载，因此功率因素PF的值与两个因素有关，一方面考虑相移因素的影响，即输入电压与输入电流之相位差φ有关；另一方面，须考虑失真因素，即输入电流产生畸变后所造成的影响，此时的电流波形是畸变非正弦波。设输入电压为正弦波，加在非线性负载上，那么根据电路知识，非标准的正弦电流波，利用傅里叶级数展开得[3-4]：

式(2)中I1－基波电流有效值；I－输入畸变电流有效值；φ1－v(t)与基波电流的相位差。负载的非线性，会造成输入电流的失真，常用THD表示其失真的程度，其定义为：

可得：

二、BOOST电路的工作原理

APFC主电路及控制电路如下图1所示，图1中电感L值较大，电感电流不断续，电容C值也较大，保持输出电压基本不变。

图1 主电路及APFC控制框图电路

图1中，电力开关器件IGBT导通时，VD反偏关断，整流桥的直流输出Vd作为电源，对电感L储能，L电流上升，电容C对R供电，电感电压为：

所以开关管IGBT导通时，图1中可看出，电感电流的变化率为常数且为正值，变化过程如图2所示。IGBT导通阶段，电感电流的变化为：

图2 电感电流变化过程

开关管IGBT关断时，电感电流无法瞬间改变，这时二极管VD正偏，提供电感电流通路。由于输出电压为常数，输出电压Vo高于整流桥直流电压Vd，电感电流变化率为负，所以有：

开关管关断时电感电流的变化为：

认为BOOST电路的二极管和开关管IGBT为理想器件，稳态时，任一周期中，所以有：

即：

公式（10）中D为占空比，范围在0～1之间，即改变占空比D，就可以改变输出电压的大小。

三、有源功率因数校正的控制方法

主要研究升压型转换器操作于连续导通模式。连续导通模式时，为了让输入电流追随输入电压，整个控制系统分为内回路以及外回路两个部分，如图3所示。

（一）双环控制法。外回路电压控制，目的是让输出电压能够稳压。方法是输出电压Vo与参考电压Vo-ref比较，经过PI控制输出与网侧交流输入电压Vin的绝对值相乘，作为电流控制回路的指令信号IL-ref。内回路电流控制，提高功率因素PF的值，达到PF校正目的。方法是电感电流IL与指令电流信号比较通过PI控制，电流环的PI控制输出信号送入比较器的同相端，与高频锯齿波相比较，产生PWM信号，控制电力开关器件IGBT的通断。

图3 双环控制原理图

（二）电流环的平均控制法。图3中乘法器的输出IL-ref为正弦全波整流波形，此信号与整流桥的输出电压Vd成正比。配合图4中占空比信号，电感电流IL的大小已由前面的占空比决定，如果BOOST输入电压Vd逐渐升高，电流环的PI控制器会输出较高的信号（图4虚线所示），再与锯齿波（Ramp）比较后，会使占空比变大，进而使电感电流IL上升跟随电压Vd。反之，当BOOST输入电压逐渐降低，图4中的占空比减小，也能得到电感电流IL追踪电压Vd。

图4 平均电流控制法的控制信号波形

放大图即为图5所示，由反复不断占空比的改变，控制电感电流平均值IL-avg能够追随BOOST输入电压Vd，达到功率因素校正的目的。

图5 电流IL跟踪电压Vd放大波形图

四、仿真分析

为了验证双环PI控制的APFC BOOST变换器的正确性，采用PSIM9.1.1版电力电子专业仿真软件，建立仿真模型，主要电路参数电感L=6mH，输出电容为1000μF。交流网侧输入电压Vin、输入电流Iin波形仿真如图6所示，在整个仿真周期内，交流输入电流Iin很好的跟随了交流输入电压Vin。功率因素如图7所示，达到0.99以上，近似等于1。

图6 输入电压、输入电流仿真波形

图7 功率因素仿真波形

从图8的仿真波形可以看出，THD波形仿真稳定后，THD较低，经PSIM软件计算，输入电流的THD等于2.37%。

图8 输入电流THD仿真波形

从图9（b）中可以看出：Vo在395V～406V之间波动，稳态时的直流侧电压Vo如图9（a）所示，输出电压均值约为400V，达到了输出电压稳定性要求。

图9 输出电压仿真波形

五、结论

本文分析了单相BOOST型APFC电路原理，采用双闭环控制方法，通过PSIM9.1.1软件仿真，证明了此方法能有效抑制谐波，得到稳定的直流电压，能很好的提高系统网侧的功率因数。