单周期控制PFC Boost变换电路的建模与仿真

单周期控制PFC Boost变换电路的建模与仿真刘志星【摘要】介绍了单周期控制型PFC Boost变换器的结构,分析了其工作原理,并采用Matlab仿真软件下的Simulink和SimPowerSystems工具箱对单周期控制型PFC Boost变换器进行了建模和仿真.仿真结果表明,单周期控制型PFC Boost变换器控制电路简单可靠,输入功率因数高,能够实现单位功率因数运行,电流谐波失真小.【期刊名称】《沈阳工程学院学报（自然科学版）》【年(卷),期】2011(007)003【总页数】3页(P207-209)【关键词】功率因数;单周期控制计算机仿真【作者】刘志星【作者单位】南车株洲电力机车研究所有限公司风电事业部变流开发部,株洲412001【正文语种】中文【中图分类】TM461随着变频器、开关电源等各种电力电子设备在工业领域中的应用日益广泛，电网的电流谐波问题越来越严重，谐波污染给系统本身和周围的电磁环境带来了一系列的危害.因此功率因数校正(Power Factor Correction，PFC)技术已成为电力电子技术领域一个新的研究热点.目前，常用的功率因数校正技术主要包括电流峰值控制、电流滞环控制、平均电流控制、单周期控制等［1］.单周期控制技术是20世纪90年代初由Keyue M.Semdley提出的一种新型非线性控制技术［2］，与传统的平均电流控制技术相比，单周期控制技术不需要乘法器，具有动态响应快，抗干扰能力强等优点.1 单周期控制原理图1为单周期控制PFC Boost变换器的原理图［4］.根据功率因数的定义可知，要实现功率因数校正，必须满足式(1)，即图1 单周期PFC Boost变换器控制式中，R e为变换器的输入端阻抗.如果在任何1个开关周期内，R e可以等效为1个纯电阻，则功率因数为1.在1个开关周期内PFC Boost变换器的输入电压和输出电压的关系可以表示为令式中，R s为等效采样电阻.合并式(1)～式(3)可得当输出滤波电容C足够大时，U0可以看作为常数.在1个开关周期内，可以将U in看作恒定不变.由式(4)可见，I in总是跟随U in，从而变换器的输入端阻抗等效为1个电阻，实现了功率因数校正.控制目标如式(5)所示.2 仿真研究为了验证单周期PFC Boost变换器控制理论分析的正确性，这里利用Matlab仿真软件下的Simulink和Powersystems工具箱对该电路进行了建模和仿真研究，仿真模型如图2所示.其中产生开关器件IGBT触发脉冲的子模块内部控制框图如图3所示［3，6］.图2 仿真模型图3 产生IGBT触发脉冲信号模型这个系统仿真参数为:交流电源V s=220 V，交流电源频率50 Hz，IGBT的开关频率50 kHz，输入前级EMI滤波器中的电容33 uF，电感2 mH，输出电压400 V，负载电阻R=640 Ω，平波电感L1=1 mH，输出滤波电容C=470 uF.检测输出电压的分压电阻R1=1 580 kΩ;R2=20 kΩ;电流采样电阻R s=0.02 Ω.图4给出了交流侧电压、电流的仿真波形，图5给出了输入电流的频谱含量波形，图6给出了负载电阻上的输出电压波形.图4 输入电压和电流仿真波形图5 电源输入电流的频谱图6 负载输出电压仿真波形由仿真波形图可以看出，当系统正常运行时，交流侧电压和电流基本上同相位，说明该变换器能够实现单位功率因数运行，并且电流的波形也近似为正弦波(其谐波失真THD=3.46%)，说明交流侧电流的谐波很小，完全能够满足电网的要求.由图6也可以看出，负载输出电压在0.1 s后基本稳定在400 V附近，说明该系统能够保持稳定的输出电压.3 结论介绍了单周期控制型PFC Boost变换器的结构，分析了其工作原理，并采用Matlab仿真软件下的Simulink和SimPowerSystems工具箱对单周期控制型PFC Boost变换器进行了建模和仿真研究.仿真结果表明，单周期控制型PFC Boost变换器控制电路简单可靠，输入功率因数高，能够实现单位功率因数运行，电流谐波失真小.参考文献［1］ Nakamura M，Fujitani Y，Kawauchi S.Several Recent Circuits in the Small Power UPS System［J］.National Convention Record，1995，2(S－1 －2 －2).［2］ Keyue M Semdley，Sloboan Cuk.One-cycle control of switching converters［J］.IEEE T ran s on Power Electronics，1995，10(6):625－633. ［3］浦锡锋，王宏华.基于MATLAB的单周期控制PFC BOOST变换电路建模与仿真［J］.电气技术与自动化，2007，36(6):145－147.［4］揭东华，马运东.单周期控制BOOST PFC变换器［J］.电源技术应用，2007，10(4):40 －43.［5］ Su G J，Donald J parative study of power factor correction converters for single phase half-bridge inverters［J］.PESC，2001:995 －1000.。

Boost PFC变换器仿真探析1 概述从电网获取交流电经整流为各种电气设备提供直流电是一种常用的变流方案，但整流装置、电感、电容组成的滤波器中非线性元件和储能元件的存在使输入交流电流波形发生严重畸变，呈尖峰脉冲状，网侧输入功率因数降低。

电网电流的畸变由于电网阻抗反过来影响电网电压，造成谐波污染。

谐波的存在使电网中元件产生附加损耗，会降低用电设备的效率；会影响电器设备的正常工作及其寿命；会导致继电保护和自动装置误动作，并使电器测量仪表计量不准确；会降低电网功率因数等系列危害。

由于电力电子装置是现在最主要的谐波污染源，这已经阻碍了电力电子技术的发展，它迫使电力电子领域的研究人员对谐波的污染问题要给出有效的解决方案。

为了解决电力电子装置的谐波污染问题，基本思路有两条：一条是装设谐波补偿装置来补偿谐波；另一条是对电力电子装置本身进行改造，提高输入端的功率因数。

对于新型的电力电子设备，多采用后一种思路，即加入功率因数校正器，它的原理就是在整流器与负载直接接入DC-DC开关变换器，应用电流反馈技术，使得输入端电流的波形跟踪交流输入正弦电压波形，可使得输入端电流接近正弦波，从而使得輸入端的谐波畸变率THD小，功率因数提高。

功率因数是电源对电网供电质量的一个重要的指标。

许多发达国家率先采用了多种功率因数校正（PFC）方法来实现“绿色能源”革命，并强制推行了国际标准IEC555-2、EN60555-2等，限制了电子生产厂家入网电气设备的电流谐波值。

目前，有源功率因数校正（APFC）技术是解决谐波污染最有效的方法之一。

PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值。

基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。

PFC的实现方式多样，其中在过去二十年中，工业上高性能的CCM Boost PFC变换器一直采用乘法器控制法来实现。