电流滞环式单相有源功率因数校正电路的研究LC
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第 45 卷第 1 期 2011 年 1 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.45， No.1 January 2011
采用变 PI 调节器的数字 APFC 的分 海 交 通 大 学 ， 上 海 200240）
摘 要 ： 随 着 变 频 家 用 电 器 产 品 功 率 等 级 的 不 断 提 高 ， 单 相 有 源 功 率 因 数 校 正 （APFC） 电 路 的 大 功 率 化 已 成 为 研
交 越 失 真 现 象 与 电 感 量 的 大 小 、PI 调 节 器 的 参数和电路的电流大小都有关系。 过零点零交越 失真一般出现在小电流时， 大电流情况下会自动 消失。 其出现的原因是电感量太大。 小电流情况 下，在过零点处附近，由于占空比很小，因此电流 很 难 上 升 。 适 当 减 小 电 感 量 或 者 改 变 PI 调 节 器 的 参数， 会稍微削弱甚至彻底消除零电流交越失真 现象；过零点直流交越失真一般出现在大电流时， 出现原因是电感量太小， 适当增加电感量会削弱 甚至彻底消除直流交越失真现象。
图 1 示 出 数 字 APFC 电 路 示 意 图 。 控 制 电 路 围 绕 DSP 芯 片 TMS320F2808， 包 括 输 入 交 流 电 压
采 用 变 PI 调 节 器 的 数 字 APFC 的 分 析 与 研 究
信号检测电路、输入电感电流检测电路、输出直流 电压检测电路、功率驱动电路和故障保护电路等。
选择合适的电感量会减弱甚至消除上述交越 失真问题，但仅仅改变电感量有时会导致电流在 峰值附近出现波动和振荡，从而出现交越失真和 波形振荡交替出现的矛盾，导致谐波电流严重超 标。 此时仅能通过控制技术上的改进来解决此问 题 ，例 如 采 用 变 参 数 PI 调 节 器 技 术 等 。
4 APFC 电路主要参数设计
中 图 分 类 号 ：TM714.3
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1000-100X（2011）01-0042-03
Study and Implementation of Digital APFC on Variable PI Regulator
WANG Han， YANG Xi-jun， CAI Xu
实 际 应 用 中 L≈1 mH， 采 用 铝 导 线 多 圈 绕 制
的方法绕制于多层压紧的硅钢片上， 以降低噪声
和加快散热，满足噪声和发热的要求。
2 数字 APFC 的电路结构和控制原理
2.1 数 字 APFC 的 电 路 结 构 该 数 字 APFC 主 功 率 电 路 采 用 Boost 型 变 换
电路。 在该拓扑结构中， 电感连接在整流桥输出 端，输入电流即为电感电流，波形连续且较平滑。 该 Boost 拓 扑 结 构 易 于 实 现 平 均 电 流 控 制 方 案 ，故 易于实现电流采样，能够取得较好的控制效果。
流 电 压 为 220 V，考 虑 电 压 波 动±10%，则 最 低 交 流 电 压 为 198 V， 最 高 交 流 电 压 242 V； ② 在 连 续 导 通 模 式 下 ，电 流 纹 波 系 数 kr 的 范 围 为 10%～30% ， 该 设 计 选 择 kr=10%；③选 择 IGBT 作 为 功 率 开 关 ， 选 择 开 关 频 率 fsw=20 kHz；④最 小 输 入 电 压 时 系 统 效 率 最 低 ， 该 设 计 选 择 效 率 η=95% ；⑤ 最 大 输 出 功 率 Po=5 kW，则 最 大 输 入 功 率 Pin=5.26 kW， 输 入 电 流 最 大 有 效 值 Iinmax=26.6 A； ⑥ 系 统 输 出 电 压 Uo=365 V。
1引言
家用电器的前级一般都要加装有源功率因数 校 正 （APFC）装 置 ，来 抑 制 设 备 对 网 侧 的 谐 波 电 流 污 染[1-3]。 随 着 单 相 设 备 向 大 电 流 、大 功 率 化 方 向 发 展 ， 单 相 APFC 电 路 的 大 功 率 化 已 成 为 研 究 热 点。随着数字技术的不断发展，越来越多的功率器 件 电 路 控 制 策 略 通 过 DSP 来 实 现 ， 相 对 于 模 拟 控 制而言，数字控制具有可编程性，强适应性，不易 受硬件老化和环境变化的影响， 能够增强电路的 抗干扰能力的特点， 可灵活地实现许多如数字滤 波 器 、数 字 PI 调 节 器 等 复 杂 的 控 制 算 法 。 如 何 消 除交越失真一直是研究热点， 在此结合电感的选 择对交越失真的消除进行了分析， 通过改进控制 方法削弱了交越失真对谐波电流的影响。 基于
（Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China） Abstract：With the great increase of the power grade in variable frequency home appliances industry ，the high power tendency of single-phase active power factor correction （APFC ） circuit becomes the research hotspot.Digital control APFC technology gains widely application for its strong adaptability and flexibility of programmability.The crossover distortion phenomenon in APFC filed seriously increases the grid harmonic pollution not to meet the harmonic limits of harmonic current requirements.In view of this ，a sub-varying parameters using PI regulator technology is presented and implementation is achieved through DSP programming.The Experimental results show that the crossover distortion is reduced significantly and the correction effects are very well within the whole power up to 5 kW of this circuit ， which meet the harmonic requirements of IEC61000 -3 -2 ，promoted the high-power development of single phase APFC and has a certain application. Keywords：active power factor correction ； regulator； crossover distortion
究 热 点 。 由 于 数 字 APFC 控 制 技 术 具 有 较 强 的 适 应 性 和 灵 活 性 ，因 此 得 到 了 广 泛 应 用 。 APFC 电 路 中 的 交 越 失 真
现象增加了电网的谐波污染，使得电网的谐波电流难以满足谐波限制的要求。 因此，提出了一种采用分段变参
数 的 PI 调 节 器 技 术 ， 并 通 过 DSP 软 件 编 程 给 予 实 现 。 实 验 结 果 表 明 ， 变 PI 调 节 器 技 术 削 弱 了 交 越 失 真 现 象 ，
乘法器产生电流参考信号，其输入有：输入电 源电压参考波形为半波正弦信号、 输入电源电压 有 效 值 平 方 的 倒 数 和 电 压 环 PI 调 解 器 的 输 出 、乘 法器的输出信号作为电流环的参考信号。 输入电 源电压有效值平方的倒数可用来调节输入电压的 范围，以满足宽范围电压供电的要求。电压闭环是 将给定电压与实际电压进行误差放大， 目标是稳 定输出电压。 电流闭环是将电流参考信号与实际 电流信号进行误差放大，以得到占空比信息，调节 功率开关管的开关，使输入电流跟踪输入电压，实 现两者的同相化和正弦化。
数 字 APFC 电 路 采 用 的 算 法 类 似 模 拟 芯 片 L4981A/B 芯片内部算法，其算法结构如图 2 所示。
平坦区域，但在其他区域为良好的正弦波，这种波 形的 5，7，9 次谐波含量较高， 超过限制要求。 过 零点直流交越失真表现为在电压过零点附近，电 流出现“直上直下”，而不是缓慢下降为零，使得电 流波形在电压正、负半周时间内分别出现一正、负 直流分量。 这样的波形虽然正弦度很好，但各次谐 波分量较大，也不能满足限制要求。
电感峰值电流计算公式：
ILpk=
姨 2 Pin Uinmin
=
姨 2 ×5 000 198×0.9
=39.7 A
（1）
峰值占空比为：
Dpk=
Uo-
姨2 Uo
Uinmin
=
365-
姨2 365
×198
=23.2%
（2）
取 最 大 值 23.2%，则 电 感 为 ：
L= 姨 2 D U pk inmin = 姨 2 ×0.232×198 =0.83 mH （3）
fswILpkKr
20 000×39.7×0.1
43
第 45 卷第 1 期 2011 年 1 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.45， No.1 January 2011
电 感 电 流 纹 波 △iL/2=10%Iipk=3.97 A。 输 入 电 流 最 大 值 Iimax=ILpk+△iL/2=43.7 A。
定 稿 日 期 ： 2010-07-13 作 者 简 介 ： 王 晗 （1982- ）， 男 ， 河 南 内 乡 人 ， 博 士 研 究 生 ， 研究方向为电力电子与电力传动。
电力电子技术 Power Electronics
Vol.45， No.1 January 2011
采用变 PI 调节器的数字 APFC 的分 海 交 通 大 学 ， 上 海 200240）
摘 要 ： 随 着 变 频 家 用 电 器 产 品 功 率 等 级 的 不 断 提 高 ， 单 相 有 源 功 率 因 数 校 正 （APFC） 电 路 的 大 功 率 化 已 成 为 研
交 越 失 真 现 象 与 电 感 量 的 大 小 、PI 调 节 器 的 参数和电路的电流大小都有关系。 过零点零交越 失真一般出现在小电流时， 大电流情况下会自动 消失。 其出现的原因是电感量太大。 小电流情况 下，在过零点处附近，由于占空比很小，因此电流 很 难 上 升 。 适 当 减 小 电 感 量 或 者 改 变 PI 调 节 器 的 参数， 会稍微削弱甚至彻底消除零电流交越失真 现象；过零点直流交越失真一般出现在大电流时， 出现原因是电感量太小， 适当增加电感量会削弱 甚至彻底消除直流交越失真现象。
图 1 示 出 数 字 APFC 电 路 示 意 图 。 控 制 电 路 围 绕 DSP 芯 片 TMS320F2808， 包 括 输 入 交 流 电 压
采 用 变 PI 调 节 器 的 数 字 APFC 的 分 析 与 研 究
信号检测电路、输入电感电流检测电路、输出直流 电压检测电路、功率驱动电路和故障保护电路等。
选择合适的电感量会减弱甚至消除上述交越 失真问题，但仅仅改变电感量有时会导致电流在 峰值附近出现波动和振荡，从而出现交越失真和 波形振荡交替出现的矛盾，导致谐波电流严重超 标。 此时仅能通过控制技术上的改进来解决此问 题 ，例 如 采 用 变 参 数 PI 调 节 器 技 术 等 。
4 APFC 电路主要参数设计
中 图 分 类 号 ：TM714.3
文 献 标 识 码 ：A
文 章 编 号 ：1000-100X（2011）01-0042-03
Study and Implementation of Digital APFC on Variable PI Regulator
WANG Han， YANG Xi-jun， CAI Xu
实 际 应 用 中 L≈1 mH， 采 用 铝 导 线 多 圈 绕 制
的方法绕制于多层压紧的硅钢片上， 以降低噪声
和加快散热，满足噪声和发热的要求。
2 数字 APFC 的电路结构和控制原理
2.1 数 字 APFC 的 电 路 结 构 该 数 字 APFC 主 功 率 电 路 采 用 Boost 型 变 换
电路。 在该拓扑结构中， 电感连接在整流桥输出 端，输入电流即为电感电流，波形连续且较平滑。 该 Boost 拓 扑 结 构 易 于 实 现 平 均 电 流 控 制 方 案 ，故 易于实现电流采样，能够取得较好的控制效果。
流 电 压 为 220 V，考 虑 电 压 波 动±10%，则 最 低 交 流 电 压 为 198 V， 最 高 交 流 电 压 242 V； ② 在 连 续 导 通 模 式 下 ，电 流 纹 波 系 数 kr 的 范 围 为 10%～30% ， 该 设 计 选 择 kr=10%；③选 择 IGBT 作 为 功 率 开 关 ， 选 择 开 关 频 率 fsw=20 kHz；④最 小 输 入 电 压 时 系 统 效 率 最 低 ， 该 设 计 选 择 效 率 η=95% ；⑤ 最 大 输 出 功 率 Po=5 kW，则 最 大 输 入 功 率 Pin=5.26 kW， 输 入 电 流 最 大 有 效 值 Iinmax=26.6 A； ⑥ 系 统 输 出 电 压 Uo=365 V。
1引言
家用电器的前级一般都要加装有源功率因数 校 正 （APFC）装 置 ，来 抑 制 设 备 对 网 侧 的 谐 波 电 流 污 染[1-3]。 随 着 单 相 设 备 向 大 电 流 、大 功 率 化 方 向 发 展 ， 单 相 APFC 电 路 的 大 功 率 化 已 成 为 研 究 热 点。随着数字技术的不断发展，越来越多的功率器 件 电 路 控 制 策 略 通 过 DSP 来 实 现 ， 相 对 于 模 拟 控 制而言，数字控制具有可编程性，强适应性，不易 受硬件老化和环境变化的影响， 能够增强电路的 抗干扰能力的特点， 可灵活地实现许多如数字滤 波 器 、数 字 PI 调 节 器 等 复 杂 的 控 制 算 法 。 如 何 消 除交越失真一直是研究热点， 在此结合电感的选 择对交越失真的消除进行了分析， 通过改进控制 方法削弱了交越失真对谐波电流的影响。 基于
（Shanghai Jiao Tong University， Shanghai 200240， China） Abstract：With the great increase of the power grade in variable frequency home appliances industry ，the high power tendency of single-phase active power factor correction （APFC ） circuit becomes the research hotspot.Digital control APFC technology gains widely application for its strong adaptability and flexibility of programmability.The crossover distortion phenomenon in APFC filed seriously increases the grid harmonic pollution not to meet the harmonic limits of harmonic current requirements.In view of this ，a sub-varying parameters using PI regulator technology is presented and implementation is achieved through DSP programming.The Experimental results show that the crossover distortion is reduced significantly and the correction effects are very well within the whole power up to 5 kW of this circuit ， which meet the harmonic requirements of IEC61000 -3 -2 ，promoted the high-power development of single phase APFC and has a certain application. Keywords：active power factor correction ； regulator； crossover distortion
究 热 点 。 由 于 数 字 APFC 控 制 技 术 具 有 较 强 的 适 应 性 和 灵 活 性 ，因 此 得 到 了 广 泛 应 用 。 APFC 电 路 中 的 交 越 失 真
现象增加了电网的谐波污染，使得电网的谐波电流难以满足谐波限制的要求。 因此，提出了一种采用分段变参
数 的 PI 调 节 器 技 术 ， 并 通 过 DSP 软 件 编 程 给 予 实 现 。 实 验 结 果 表 明 ， 变 PI 调 节 器 技 术 削 弱 了 交 越 失 真 现 象 ，
乘法器产生电流参考信号，其输入有：输入电 源电压参考波形为半波正弦信号、 输入电源电压 有 效 值 平 方 的 倒 数 和 电 压 环 PI 调 解 器 的 输 出 、乘 法器的输出信号作为电流环的参考信号。 输入电 源电压有效值平方的倒数可用来调节输入电压的 范围，以满足宽范围电压供电的要求。电压闭环是 将给定电压与实际电压进行误差放大， 目标是稳 定输出电压。 电流闭环是将电流参考信号与实际 电流信号进行误差放大，以得到占空比信息，调节 功率开关管的开关，使输入电流跟踪输入电压，实 现两者的同相化和正弦化。
数 字 APFC 电 路 采 用 的 算 法 类 似 模 拟 芯 片 L4981A/B 芯片内部算法，其算法结构如图 2 所示。
平坦区域，但在其他区域为良好的正弦波，这种波 形的 5，7，9 次谐波含量较高， 超过限制要求。 过 零点直流交越失真表现为在电压过零点附近，电 流出现“直上直下”，而不是缓慢下降为零，使得电 流波形在电压正、负半周时间内分别出现一正、负 直流分量。 这样的波形虽然正弦度很好，但各次谐 波分量较大，也不能满足限制要求。
电感峰值电流计算公式：
ILpk=
姨 2 Pin Uinmin
=
姨 2 ×5 000 198×0.9
=39.7 A
（1）
峰值占空比为：
Dpk=
Uo-
姨2 Uo
Uinmin
=
365-
姨2 365
×198
=23.2%
（2）
取 最 大 值 23.2%，则 电 感 为 ：
L= 姨 2 D U pk inmin = 姨 2 ×0.232×198 =0.83 mH （3）
fswILpkKr
20 000×39.7×0.1
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第 45 卷第 1 期 2011 年 1 月
电力电子技术 Power Electronics
Vol.45， No.1 January 2011
电 感 电 流 纹 波 △iL/2=10%Iipk=3.97 A。 输 入 电 流 最 大 值 Iimax=ILpk+△iL/2=43.7 A。
定 稿 日 期 ： 2010-07-13 作 者 简 介 ： 王 晗 （1982- ）， 男 ， 河 南 内 乡 人 ， 博 士 研 究 生 ， 研究方向为电力电子与电力传动。
