摘要：有源功率因數(shù)校正可減少用電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的諧波污染，提高電器設(shè)備輸入端的功率因數(shù)。詳細(xì)分析有源功率因數(shù)校正apfc原理，采用平均電流控制模式控制原理，設(shè)計(jì)一種2 kw有源功率因數(shù)校正電路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：以tda16888為核心的有源功率因數(shù)校正器能在90~270 v的寬電壓輸入范圍內(nèi)得到穩(wěn)定的380 v直流電壓輸出，功率因數(shù)達(dá)o.99,系統(tǒng)性能優(yōu)越。

關(guān)鍵詞：平均電流控制；功率因數(shù)校正；諧波污染；有源功率因數(shù)校正（apfc）

1 引言

目前家用電器的功率前級(jí)多采用二極管全橋整流方式，這會(huì)造成電網(wǎng)諧波污染，功率因數(shù)下降，無功分量主要為高次諧波，其中三次諧波幅度約為基波幅度的95%,五次諧波幅度約為基波幅度的70%.七次諧波幅度約為基波幅度的45%.高次諧波會(huì)對(duì)電網(wǎng)造成危害，使用電設(shè)備的輸入端功率因數(shù)下降，而且產(chǎn)生很強(qiáng)的電磁干擾（emi），對(duì)電網(wǎng)和其他用電設(shè)備的安全運(yùn)行造成潛在危害。

有源功率因數(shù)校正電路可將電源的輸入電流變換為與輸入市電同相位的正弦波，從而提高電器設(shè)備的功率因數(shù)，減少對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。理論上，降壓式（buck）、升壓式（boost）、升/降壓式（boost-buck）以及反激式（flyback）等變換器拓?fù)涠伎勺鳛閍pfc的主電路。其中，boost apfc是簡(jiǎn)單電流型控制，功率因數(shù)值高，總諧波失真小，效率高，但輸出電壓高于輸入電壓，適用于75~2 000 w功率電源，應(yīng)用廣泛。因?yàn)樯龎菏絘pfc的電感電流連續(xù)，儲(chǔ)能電感可作為濾波器抑制射頻干擾（rfi）和emi噪聲，并防止電網(wǎng)對(duì)主電路的高頻瞬態(tài)沖擊。電路有升壓斬波電路，輸出電壓大于輸入電壓峰值，電源允許的輸入電壓范圍擴(kuò)大，通?？蛇_(dá)90~270 v,提高電源的適應(yīng)性，且升壓式apfc控制簡(jiǎn)單，適用的功率范圍寬。因此，這里提出了一種基于boost電路拓?fù)?，以tda16888為控制核心的2 kw有源功率因數(shù)校正電路，該電路可將功率因數(shù)提高到o.99以上。

2 boost apfc電路原理

常用于實(shí)現(xiàn)boost apfc的控制方法有以下3種：

（1）電流峰值控制 開關(guān)頻率固定，工作在電流連續(xù)模式（ccm）下，采用boost電路結(jié)構(gòu)，通過檢測(cè)開關(guān)電流控制。該方法電感電流的峰值（控制的基準(zhǔn)）對(duì)噪聲敏感，容易產(chǎn)生控制誤差。

（2）電流滯環(huán)控制 開關(guān)頻率可變，工作在ccm下，采用boost電路結(jié)構(gòu)，通過檢測(cè)電感電流控制。該方法的負(fù)載大小對(duì)開關(guān)頻率的影響較大，由于開關(guān)頻率的變化幅度大，設(shè)計(jì)輸出濾波器時(shí)，需按最低開關(guān)頻率考慮，故難以得到體積和重量最小的設(shè)計(jì)。

（3）平均電流控制 開關(guān)頻率固定，工作模式任意，通過檢測(cè)電感電流控制，需要放大電流誤差信號(hào)。這種方法的工頻電流的峰值是高頻電流的平均值，高頻電流的峰值比工頻電流的峰值更高，總諧波畸變（thd）很小，對(duì)噪聲不敏感，電感電流峰值與平均值之間的誤差小，可工作于ccm和dcm模式下，適合于任何拓?fù)洹?/p>

綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用電壓電流雙閉環(huán)的平均電流控制模式，圖1為其原理圖。

圖1中，檢測(cè)到電感電流il,則得到信號(hào)ilr1,將該信號(hào)送入電流誤差放大器ca中，電流基準(zhǔn)值由乘法器輸出z,乘法器有兩個(gè)輸入，一個(gè)為x,是輸出電壓vo/h與基準(zhǔn)電壓vref之間的誤差信號(hào)；另一個(gè)輸入y,為電壓dc的檢測(cè)值vdc/k,vdc為輸入正弦電壓的全波整流值。

平均電流法的電流環(huán)調(diào)節(jié)輸入電流平均值，使其與輸入整流電壓同相位，接近正弦波形。輸入電流信號(hào)被直接檢測(cè)，與基準(zhǔn)電流比較后。其高頻分量的變化通過電流誤差放大器，被平均化處理。放大后的平均電流誤差與鋸齒波斜坡比較后，給開關(guān)tr驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并決定其占空比，從而迅速而精確地校正電流誤差。由于電流環(huán)具有較高的增益一帶寬使跟蹤誤差產(chǎn)生的畸變小于1%,容易實(shí)現(xiàn)接近于1的功率因數(shù)。校正后的輸入電壓vi、電流ii的波形如圖2所示。

3 apfc電路設(shè)計(jì)

這里采用siemens公司的pfc控制器件tda16888設(shè)計(jì)apfc電路。設(shè)計(jì)的主要指標(biāo)參數(shù)有：交流輸入電壓為90~220 v;直流輸出電壓為380 v;輸出功率高于2 kw;功率因數(shù)大于0.99;變換器效率高于90%.boost apfc電路原理圖如圖3所示。

主回路采用boost電路結(jié)構(gòu)，主要由電感l(wèi)2,二極管vd1、vd2,開關(guān)管vq1,輸出主線濾波電容c14組成。輸入電路由濾波電感l(wèi)1、濾波電容c1、整流橋b1、壓敏電阻r4、熱敏電阻r1組成。l11和c3構(gòu)成濾波網(wǎng)絡(luò)?？刂齐娐酚蓆da16888及其外部元件組成，外圍電路包括電流檢測(cè)電路（由r9組成），輸入電壓取樣電路（由r6、r7組成），輸出電壓反饋電路，反饋回路為pi控制器，電壓環(huán)pi控制器由c9、c10、r24組成，電流環(huán)pi控制器由c6、c7、r22組成?？刂破鞴ぷ黝l率由電阻r26決定，r26值越大，則其工作頻率越小，r26取值51 kω，工作頻率為100 khz.

4 試驗(yàn)結(jié)果

在負(fù)載為2 kw時(shí)pfc（pfc的英文全稱為“power fact crection”，意思是“功率因數(shù)校正”，功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量(視在功率)之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量(視在功率)的比值。 基本上功率因素可以衡量電力被有效利用的程度，當(dāng)功率因素值越大，代表其電力利用率越高。）電路的工作波形如圖4~圖5所示。圖4為交流輸入端電壓、電流波形及電流諧波分析，圖中交流輸入端電壓波形通道為4、電流波形通道為3,電流的諧波分析結(jié)果為d.由圖4可看出，加入pfc電路后，交流輸入電流波形由窄脈沖變?yōu)檎也?，與輸入電壓同相，boost變換器近似為純電阻，輸入電流總諧波量為4.5%.圖5為開關(guān)驅(qū)動(dòng)波形與電路的輸入電流波形。示波器通道1為開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)波形。通道2為輸入電流波形，由圖5可見，輸入電流經(jīng)有源功率因數(shù)校正器的校正后，波形幾乎達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，使用單相功率表（db3-pf01）測(cè)得功率因數(shù)超過0.99,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在輸入電壓的整個(gè)范圍內(nèi)及負(fù)載變化的情況下也得到類似結(jié)果。

5 結(jié)論

通過試驗(yàn)看出，采用電壓電流雙閉環(huán)的平均電流控制模式原理能夠?qū)崿F(xiàn)電器設(shè)備的功率因數(shù)校正。在某變頻空調(diào)控制系統(tǒng)增加該功率因數(shù)校正電路后，系統(tǒng)的功率因數(shù)明顯提高，在保持原輸出功率不變的情況下，主回路的濾波電容由原來的3 000μf下降為2 200μf,功率模塊額定電流下降約70%,從而提高了元件的利用率。同時(shí)，系統(tǒng)的emc指標(biāo)也得到改善，達(dá)到gb4343-1995和gb17625.1-1998所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。該設(shè)計(jì)原理也適用于其他同類型apfc控制器件的電路實(shí)現(xiàn)，具有廣泛的工程參考價(jià)值。 來源:admin