基于单级PFC的智能水电站照明电源设计方法

李在强，薛 磊，彭冬丽，何思豪，王 宏

（雅砻江流域水电开发有限公司，四川 成都 610051）

智能水电站照明电源系统不仅要求能实现照明亮度调整、升降压调节的需求，还要实现高效节能、高功率因数和低谐波的目标。而目前常用的照明电源设计方法表现为电源工作模式的选取不够合理、控制方式的设计不够先进、无法自动地进行有源功率因数校正，使其产生的功率因数较低，还含有大量谐波[1]。因此面向智能水电站中小功率照明电源的应用场合，设计具有功率因数校正功能的照明电源系统，降低谐波和噪声的干扰，减少对电网的污染，提高产品的功率因数，就显得尤为重要[2]。

有鉴于此，本文提出一种基于单相单端反激电路的智能水电站PFC照明电源设计方法。通过优化电源系统组成、确定电源工作模式及控制方式，使照明电源系统除了具有升压或降压功能外，还可实现输入输出的电气隔离、高功率因数和低谐波的效果。

1 单相单端PFC照明电源结构和原理

1.1 照明电源组成结构

为达到水电站照明电源的升压或降压外，还要输入输出的电气隔离、高功率因数和低谐波的目标。本照明电源系统采用单端反激的PFC（Power Factor Correction，功率因数校正）电路实现照明的升降压功能和功率因数调整功能[3]，系统结构由整流电路、主电路、控制电路、反馈取样电路和输出滤波电路组成。

图1 单级PFC照明电路原理框图

（1）主电路

作为主电路的单级PFC电路拓扑有非隔离式和隔离式两种选择。非隔离式电路有Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路[4]；隔离式电路有：反激型电路、正激型电路。

单独的降压式和升压式拓扑结构只能实现其中一种功能，存在局限性；而升/降压拓扑结构电路复杂，无法实现电气隔离功能；正激式拓扑结构即为输出与输入隔离的降压式拓扑，只能实现降压；反激式即为输出与输入隔离的升/降压式拓扑。考虑到为实现升压或降压外，还要输入输出的电气隔离，本文采用单端反激电路作为单级PFC的主电路[5,6]。

（2）整流电路

AC/DC电源的标准输入电路都包括一个全桥整流电路，对输入的交流电进行整流。一般的整流滤波电路在整流桥后面都会加一个大电容达到滤波的作用，但这样对电路的功率因数会产生很大的影响，而要求实现较高的功率因数，所以一般会在整流桥之后加一个小电容滤除高频成分[7]。

（3）控制电路

通过控制开关管的导通与关断来实现功率因数校正，需要一个控制电路使输入电流成正弦波并且同相位。但是单级PFC要实现两个功能，另一个就是输出电压恒定。反激变换器是电气隔离的，则还需电气隔离的反馈电路将输出信号反馈给控制电路，达到调节输出电压使输出电压恒定的功能。

（4）输出滤波电路

为使输出电压更加平滑，还应对电路的输出端再进行一次滤波，即在反激变换器的储能电容后加上LC滤波电路。

1.2 单级PFC技术工作原理

针对照明电源要具有功率因数校正的功能，本文采用了有源功率因数校正（PFC）技术中的单级PFC，将PFC和DC/DC结合到一起，如图2所示。该PFC方式功率因数校正技术效果较好，传输效率较高，并且电路设计和调试方法相对简单而且性价比高。单级PFC是通过一个电路实现了两个功能：控制输入电流跟随输入电压呈正弦化，提高功率因数；控制输出电压恒定[8]。

图2 单级PFC电路原理图

单级PFC的具体工作原理为：通过PWM（脉宽调制技术）来控制开关管的导通与关断，将输入电压分解成脉冲电压，然后利用二极管和电容将其转换成平滑的直流电压输出，这个输出电压经过电阻分压器分压后被采样，与一个参考电压进入电压误差放大器进行比较，其输出的误差信号作为乘法器的一个输入，为了实现功率因数校正，乘法器的另一个输入是经过整流的交流输入电压经电阻分压器被采样的半正弦波信号[9]；乘法器的输出作为电流误差放大器的基准和来自电感的取样电流进行比较，使其呈正弦波变化；电流误差放大器的输出反馈到PWM控制器，来改变其脉冲宽度的大小，通过该反馈技术使输入电流波形跟踪输入电压的正弦波波形，使输入电流与输入电压同相位。此外，如果输出电压升高，PWM控制器脉宽减小，进而使输出电压降低，使输出电压恢复为正常输出值，反之亦然。

1.3 单级PFC技术工作原理

单级PFC有三种工作模式，分别为不连续导电模式（DCM）、临界导电模式（CRM）、连续导电模式（CCM）[10]。

（1）临界导电模式（CRM）也称过渡模式，因为流过电感的电流在两个开关周期之间会出现下降到零的情况，显得不连续。临界导电模式的工作过程：在开关管导通期间，电感电流从零线性上升达到峰值；在开关管关断期间，电感电流从峰值线性下降到零，当电感电流下降到零时正好下一开关周期开始。

（2）连续导电模式（CCM）即电感电流不会下降到零。连续导电模式的工作过程：在开关管导通期间，电感电流从零线性上升达到峰值；在开关管关断期间，电感电流从峰值线性下降但还没到零时，下一个开关周期就开始了。

（3）不连续导电模式（DCM）即电感电流下降到0后过一段时间下一个开关周期才到来。不连续导电模式的特点：电感内储存的能量完全传输。

通过比较如表1所示的三种工作模式优缺点，临界导电模式CRM最适合本系统的工作模式。APFC有三种电流控制方式：峰值电流控制、滞环电流控制、平均电流控制。峰值电流控制具有快速电流峰值限制功能，但电流峰值和平均值之间存在误差，谐波电流较大；滞环电流控制简单易实现，但负载对开关频率影响很大；平均电流控制可用于多种功率场合，实用性较高。经比较后本系统的控制方式选择平均电流控制。

2 单级PFC电路参数设计

2.1 主电路

基于反激变换器的单级PFC电路如图3所示，考虑照明电源的输入市电电压Vin=220 V；最小交流市电频率fac=50 Hz；开关频率f=100 kHz；直流输出电压Vo=12 V；最大输出功率Po=150 W；功率因数PF＞95%；效率η＞88%。现还需对PFC电路主要元件的参数进行选择，假设效率η=0.9；最大占空比Dmax=70%；则最大导通时间ton-max=7us；整流二极管的压降VD=1 V；绕组压降VL=0.6 V，则变压器副边绕组电压VS为Vo、VD、VL的总和，即13.6 V；漏感电压V1=100 V；电压的维持时间tHOLD=20 ms；输出电压过压保护点VOVP=56 V；输出电压的规定范围下限VO（min）=10 V。根据这些设定的参数，对电路中的基本参数进行计算。

式中：Lp为副边电感量，Ip(max)为最大电流峰值。

图3 单级PFC电路图

2.2 中间变压器

选择铁氧体EI35，通过查表可以得出：ΔBac=0.2 T允许温升25℃，Kj=366；Aw=1.315 8 cm2，Ae=1.014 cm2，其参数计算如下：

原边匝数：

匝数比：

式中：Np为原边匝数，Vp为原边所加直流电压（V），ton-max为最大导通时间，ΔBac为交变工作磁芯密度（T），Ae为磁芯有效面积（mm2）。

2.3 整流器

整流器的作用就是将交流转化为直流，整流桥的额定电压值取决于输入电压的最大值，一般按最大输入电压峰值的1.5倍来确定，即

输入电流额定值取决于变换器的最大输入电流。按照下式计算确定

整流器的额定电流值为

一般整流桥电流额定值取该值的4-9倍为宜。

3 仿真实验验证

3.1 仿真系统参数

根据前述的照明电源电路及元件的参数设计，确定了水电站照明电源系统的输入交流电压为311 V，最大输出功率为150 W。现对照明电源系统在MATLAB/Simulink软件中加以验证，其仿真实验的主电路如图4所示，控制方式如图5所示。仿真试验分别在负载为5 Ω和3.3 Ω的两种工况下，对目标电压的跟随和电压、电流相位情况进行验证。

图4 仿真系统主电路

图5 仿真系统控制图

3.2 仿真结果及分析

（1）负载为5 Ω时的仿真结果

当负载为5 Ω时的仿真波形如图6～8所示，设定照明电源输出的目标电压为40 V。输入电流能很好地跟随输入电压成正弦波变化并且与输入电压同相位；因为采用了恒流闭环输出，所以输出电流恒定在8 A；根据欧姆定律可得输出电压保持在40 V左右，实现了电压的有效跟随，且跟随速度较快。

（2）负载为3.3 Ω时的仿真结果

当负载为3.3 Ω时的仿真波形如图9～11所示，设定照明电源输出的目标电压为24 V。输入电流能很好地跟随输入电压成正弦波变化并且与输入电压同相位；因为采用了恒流闭环输出，所以输出电流恒定在8 A；根据欧姆定律可得输出电压保持在24 V左右。

图6 负载为5 Ω时输出电压的波形

图7 输入电流跟随输入电压成正弦波变化的波形

图8 负载为5 Ω时输出电流的波形

图9 负载为3.3 Ω时输出电压的波形图

图10 输入电流跟随输入电压成正弦波变化的波形

图11 负载为3.3 Ω时输出电流的波形

针对不同的负载工况下，PFC照明电源系统均能有效输出目标电压，且输入电流波形能够实现对交流输入电压的很好的跟踪，实现了功率因数校正功能。除此之外，此波形图还较好的反映了RCD缓冲电路的吸收漏感尖峰的功能。仿真试验的结果验证了单级PFC技术应用于照明电源的有源功率因数校正效果，能够降低产生的谐波含量，提高功率因数。

4 结论

针对智能水电站照明电源系统不仅需要实现基本升降压功能，还需要自动功率因数校正的要求。本文提出了一种基于单相单端反激电路的智能水电站PFC照明电源设计方法，确定了照明电源系统结构、分析了单级PFC工作原理、选择了电源工作模式及控制方式，完成基于反激变换器的单级PFC电路及参数设计，最后通过仿真试验，验证了该电源系统能够有效消除谐波对供电网络的污染，提高功率因数，助力智能水电站照明电源系统进一步向高效节能、绿色环保发展。