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0 引言传统的整流电路普遍采用不可控二极管或相控晶闸管整流方式，直流侧采用大电容滤波，输入电流谐波含量大，功率因数低，造成了严重的电网污染和能源浪费。目前，解决谐波问题、提高功率因数的主要方法：（1）对产生谐波的电力电子装置的拓扑结构和控制策略进行改进，使其产生较少的谐波甚至不产生谐波，使得输入电流和输入电压同相，达到提高功率因数的目的，如整流技术；（2）在整流桥和滤波电容之间加一级用于功率因数校
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<P><STRONG> 0 引言</STRONG></P> <P> 传统的<A href="http://www.cps800.com/news/27342.htm"><STRONG>开关电源</STRONG></A>整流电路普遍采用不可控二极管或相控晶闸管整流方式，直流侧采用大电容滤波，输入电流谐波含量大，功率因数低，造成了严重的电网污染和能源浪费。目前，解决谐波问题、提高功率因数的主要方法：（1）对产生谐波的电力电子装置的拓扑结构和控制策略进行改进，使其产生较少的谐波甚至不产生谐波，使得输入电流和输入电压同相，达到提高功率因数的目的，如PWM整流技术；（2）在整流桥和滤波电容之间加一级用于功率因数校正的功率变换电路，如有源功率因数校正（APFC）技术。近些年来APFC技术和PWM 技术在中、小功率乃至大功率开关电源中得到了普遍应用。本文以高功率因数开关电源作为研究对象，分析采用APFC技术和PWM 整流技术来提高功率因数的原理，并采用Matlab7.6软件对单相电压型PWM 整流电路和APFC电路进行了仿真及分析比较。</P> <STRONG>1 高功率因数开关电源的设计方案</STRONG> <P><STRONG> 1.1 采用PWM 整流技术的开关电源</STRONG></P> <P> 采用PWM 整流技术的高功率因数开关电源的结构如图1所示，本文只探讨其中的PWM 整流电路部分。</P> <P align=center><IMG alt="" src="/uploadfile/20120712/14836466752013007214.jpg"></P> <P class=pictext align=center>图1 采用PWM 整流技术的高功率因数开关电源结构</P> <P> 该种高功率因数开关电源设计方案采用PWM整流技术和DSP技术，能数字化地实现整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制，比较适合应用于中等功率开关电源设计中。</P> <P><STRONG> 1.2 采用APFC技术的开关电源</STRONG></P> <P> 采用APFC技术的高功率因数开关电源，其前级APFC电路采用实际生产中应用最广泛的Boost拓扑结构，负责使交流输入电流正弦化并使其与输入电压同相位，同时保持输出电压稳定；后级DC/DC变换电路采用能实现多路输出的反激式拓扑结构，主要负责调整输出电压，通过DC/DC变换得到所需要的直流电压，其结构如图2所示。 {$page$}</P> <P align=center><IMG alt="" src="/uploadfile/20120712/7266418218856730495.jpg"></P> <P class=pictext align=center>图2 采用两级型APFC的高功率因素开关电源结构</P> <P class=pictext align=left><STRONG> 2 单相PWM 整流电路的基本原理</STRONG></P> <P> 本节采用图1所示的方案，其前级如图3所示，即单相全桥电压型PWM 整流电路，电路采用有4个全控型功率开关管的H 桥型拓扑结构。图3中网侧电感为升压电感，起平衡电路电压、支撑无功功率、储存能量和滤除谐波电流的作用；Rs为滤波电感的寄生电阻；主电路中功率开关均反并联一个续流二极管，用来缓冲PWM 过程中的无功电能。</P> <P align=center><IMG alt="" src="/uploadfile/20120712/10456546037034962230.jpg"></P> <P> 单相全桥电压型PWM 整流电路的SPWM 调制方法分为单极性调制和双极性调制两种，本文采用单极性调制。</P> <P> 单相全桥电压型PWM 整流器选择响应速度较快的三角波电流比较法作为控制策略。因反馈到电压外环的输出电压含有纹波电压，而纹波电压的存在将导致电流内环的给定电流发生畸变，因此本文采用补偿输出直流电压中纹波电压的方法[4]来减少流入电压控制环的纹波电压，从而改善给定电流的波形。按照以上原理设计的单相全桥电压型PWM整流器的控制系统结构如图4所示。</P> <P align=center><IMG alt="" src="/uploadfile/20120712/684587118086357378.jpg"></P> <P class=pictext align=center>图4 单相全桥电压型PWM 整流器的控制系统结构{$page$}</P> <P> 由图4可知，PWM 整流控制系统中需要检测的信号有输入交流电压us、输出直流电压ud以及输入交流电流is.us是闭环控制中相位检测的输入信号；通过比较ud与给定参考电压u*d以及直流侧纹波电压补偿u~d来决定电压外环PI调节器的输出im,并将其与输入电压同步信号sinωt的乘积作为指定电流i*s ;is与i*s的差值决定电流内环PI调节器的输出；最后比较电流内环PI调节器的输出与三角载波，产生PWM 信号来控制开关管的关断。这样，电流PI调节器的输出决定PWM 信号的占空比，使实际输入电流逼近指定电流值。</P> <P><STRONG> 3 有源功率因数校正技术</STRONG></P> <P> 本节采用如图2所示的方案，基于Boost-APFC的功率因数校正电路如图5所示。该电路由主电路和控制电路组成。主电路包括桥式整流器、升压电感、功率开关管、续流二极管以及滤波电容等，控制电路包括电压误差放大器VA、电流误差放大器CA、基准电压源、乘法器、PWM 比较器以及栅极驱动器。</P> <P align=center><IMG alt="" src="/uploadfile/20120712/10747297748894656562.jpg"></P> <P class=pictext align=center>图5 基于Boost-APFC的功率因数校正电路</P> <P> 工作原理：APFC主电路的输出电压经电阻分压后与基准电压相比较，误差值输入到VA;VA 输出信号X与输入电压检测信号Y一起输入乘法器，经过平均化处理、放大、比较后，再经过PWM 比较器加到栅极驱动器，产生对开关管VT的控制信号，从而使电感Ls上的电流（即输入电流）平均值始终跟踪模拟乘法器输出的半正弦信号，即跟踪了输入电压波形，并实现了输入电流正弦化，使功率因数接近1,达到校正功率因数的目的。</P> <P><STRONG> 4 仿真分析</STRONG></P> <P><STRONG> 4.1 PWM 整流器电路仿真与分析</STRONG></P> <P> 采用Matlab7.6对所设计的单相全桥电压型PWM 整流器进行建模和仿真，在Simulink中搭建仿真模型，主电路仿真参数：峰值电压为311V,频率为50Hz,相位为0°，采样时间为0s;Ls=2mH,Rs=0.5Ω，直流侧滤波电容Cd=2 500μF,直流侧负载电阻RL=50Ω；从PowerElectronics中调用Universal Bridge 模块，并将其设置成二桥臂IGBT/Diodes模式，仿真算法设置为可变步长类算法中的ode45算法。</P> <P> 交流输入侧电压与电流的仿真波形如图6所示，可见交流侧电流、电压能始终保持同相，且电流能实现正弦化。直流侧输出电压波形如图7所示，可见0.06s后输出电压稳定在400V左右。</P> <P align=center><IMG alt="" src="/uploadfile/20120712/12483034353066713992.jpg"></P> <P align=center><IMG alt="" src="/uploadfile/20120712/2942765902066378712.jpg"></P> <P> 在Powergui模块中对电路进行FFT分析，在Available Signals中进行相关设置后对输入侧电流进行谐波分析，结果如图8所示。由图8可知，总谐波畸变率DTH=0.77%,实现了系统低谐波畸变率的目标，电流谐波得到了很好的抑制。</P> <P align=center><IMG alt="" src="/uploadfile/20120712/1603744826225927765.jpg"></P> <P class=pictext align=center>图8 输入侧电流谐波分析结果</P> <P> PWM 整流器功率因数波形如图9所示。由图9可知，电路功率因数始终大于0.985,且工作0.03s后功率因数能达到1.{$page$}</P> <P align=center><IMG alt="" src="/uploadfile/20120712/7417450156092064423.jpg"></P> <P class=pictext align=center>图9 整流器功率因数波形</P> <P><STRONG> 4.2 单相APFC电路仿真与分析</STRONG></P> <P> 单相APFC电路采用Matlab7.6进行建模与仿真。图10为APFC电路输入电压和电流波形，可见网侧输入电流由窄脉冲波形变成正弦电流波形，且与输入电压同相位。图11为APFC电路输出电压波形，可见经过60ms的软启动过程之后，输出电压稳定在400V左右，满足设计要求。图12为APFC电路输入电流谐波分析结果，可见除基波外，其余谐波含量均很小。</P> <P align=center><IMG alt="" src="/uploadfile/20120712/17805200871187338953.jpg"></P> <P align=center><IMG alt="" src="/uploadfile/20120712/4537460151098252807.jpg"></P> <P align=center><IMG alt="" src="/uploadfile/20120712/14521897793080594771.jpg"></P> <P> 由图12可知，输入电流DHD为0.256 5.功率因数计算公式为PF=γcosφ，其中r 为基波因子。</P> <P> 由于输入电流与电压基本同相位，即相位差φ 为0,则：</P> <P align=center><IMG style="WIDTH: 502px; HEIGHT: 56px" height=62 alt="" src="/uploadfile/20120712/31282637854138250.jpg" width=560></P> <P class=pictext align=left><STRONG> 5 结语</STRONG></P> <P> 采用功率因数校正技术和PWM 整流技术设计了两种高功率因数的开关电源，采用Matlab7.6建立仿真模型。由仿真结果可知，采用DSP 芯片TMS320LF2407设计的前级单相全桥电压型PWM整流电路功率因数大于0.985,并在电路稳定后达到1,大于APFC电路的功率因数0.969;且电压型PWM 整流电路电流总谐波畸变率为0.77%,远小于APFC电路的总电流谐波畸变率25.65%.两者相比，单相全桥电压型PWM 整流器能更好地实现输入侧电流的正弦化和与输入侧电压的同相位，能更彻底地解决传统开关电源电流谐波大、功率因数低的问题，更好地实现绿色电能转换的目标。但是电压型PWM 整流器成本较高，在实际应用中应根据具体需求选择适合的类型。<SPAN style="FONT-FAMILY: Webdings"><</SPAN></P>