基于Matlab的交流斩波型PFC电路仿真研究文档格式.docx
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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谐波的抑制和功率因数校正方法
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和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,并且和输入电压同相位,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,因此使用广泛。
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使用,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BoostPFC电路输出,该方法具有较好的控制效果,在中小功率电源中使用较为广泛。
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。
使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
3.1Boost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,和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BoostPFC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。
3.2Buck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simuIinkPowerSystem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=311sinωt,L=0.7mH,输出功率P=500W,uout=300V。
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300V上下波动,符合电路设计要求。
5结语
这里讨论了使用较为成熟的单相BoostPFC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,和输入电压相位相近,实现了高功率因数。
和传统的电路相比,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。