单相Boost APFC电路的设计与分析

汪子琦，厉伟

(沈阳工业大学 电气工程学院，辽宁 沈阳 110870)

1 引言

目前，电力电子技术日益广泛地应用到军事、工业等技术领域。以开关电源为例，其输入级大多利用二极管等元件构成的整流电路。这些电路为电力系统带来严重的谐波问题，使电网的供电质量以及用电的安全性得不到有效保证[1]。这一负面影响在电力行业中得到了越来越多的关注。如何抑制电流脉冲的幅值，使之最大程度上接近于正弦波，成为解决这一问题的有效方法。APFC相比于无源功率因数校正技术有更加明显的谐波抑制效果，同时对功率因数的提高更加显著、抗干扰能力强。

APFC技术的思路就是利用功率开关的开通和关断将电感中储存的能量周期性地释放到电容中，从而对电路输入的电流大小进行控制，使电流尽量跟随电压的正弦波[2]。通过APFC技术，电源的功率因数得到提高，降低了整流器件对电网的谐波注入。本文介绍了电路的平均电流法控制原理，并设计了一种升压型APFC电路。在此基础上，利用simulink软件对该电路搭建仿真模型，验证了功率因数校正的有效性。

2 基于平均电流法的APFC控制原理

目前，APFC电路的控制方法的分类以电感电流的连续性进行的。其中应用最为广泛的就是连续导电模式(CCM)[3]。本文中的APFC电路采用的是CCM下的平均电流控制。其基本原理是通过开关管控制电感电流，使其跟踪整流电路后的电压指令。具体的控制思路就是，当输入电流比乘法器的输出大，调节功率开关的占空比D，从而减小电流。反之当输入电流的有效值小于乘法器的输入信号时，则增大电流。这样输入电流和输入电压同相位。避免了整流元件对电网的谐波注入，提升能源效率。图1为平均电流法Boost APFC电路图。其控制回路分为电流环和电压环。在连续电流模式下，电路工作时电感电流波形图如图2所示。

图1 平均电流法Boost APFC电路图

图2 电感电流波形图

3 Boost APFC电路的设计

3.1 电路的技术指标

Boost APFC电路在开关电源等电子装置中应用极为广泛。一方面能够实现功率因数校正的目的，另一方面也能稳定输出直流电压，其控制较简单适用中小功率电源中[4]。本文设计的Boost APFC电路主要技术指标如表1所示。

表1 Boost APFC电路的技术指标

3.2 升压电感计算

Boost电路的升压电感的在电路中有储能、转换和滤波的作用。输入电压为最小(180V)，此时输入电流达到最大。按照表1的参数计算电流峰值：

(1)

输入电流的纹波和电感的大小有着非常密切的关系。过大的电感能够有效降低纹波，但是也带来了电感尺寸的增大和成本的提升，不符合电源的小型化原则[5]。根据工程实践的经验，一般情况下电流的纹波系数取0.2。可以计算出电流纹波为：

ΔIL=0.2Ipk=1.024A

(2)

此时电路的占空比为：

(3)

计算得出升压电感为：

(4)

3.3 输出电容计算

在Boost APFC电路中输出电容可以降低纹波，稳定输出电压[6]。工程实践中一般采用按照维持时间Δt来计算，本电路的输出电容为：

(5)

4 单相Boost APFC电路的仿真分析

为了验证本文所设计的Boost APFC电路是否符合理论性和国家标准，利用MATLAB搭建出仿真模型。主回路的具体参数由第二部分计算得出。控制回路分为电流内环和电压外环。仿真模型整体如图3所示。

图3 Boost APFC电路仿真模型

输出电压的仿真结果可以验证电路的输出稳定性。图4为输出直流电压的波形图，可以看出电路启动时电压的最大值为420V左右，超调量为5%，之后很快达到了稳态，电压值为设计的400V。本电路的纹波电压不超过“±8V” ，满足纹波率不超过2%的设计指标。

图4 Boost APFC电路输出电压波形

图5为输入交流电压、电流的波形图，可以看出当电路达到稳定状态时，输入电流、电压的相位基本相同，提高功率因数，达到了电路的工作目的。

图5 Boost APFC电路输入波形

通过Power模块可以得到输入的有功功率和无功功率，搭建函数模块可以计算出cosφ的数值。图6为电路输入电流的功率因数cosφ变化曲线。由图可知，当电路处于刚开始的波动时，功率因数已经达到了0.996以上；电路处于稳定的状态时，功率因数大于0.999。在实际的APFC电路中可能有所降低，但是依然能够满足国家标准的要求。

图6 Boost APFC电路的功率因数变化曲线

快速傅里叶变换(FFT)在数字处理领域是许多数字信号处理方法的基础[7]。通过FFT工具箱析输入电流。图7为仿真结果，THD仅为1.9%，满足设计标准。

图7 输入电流的FFT分析频谱

5 结论

针对整流器件对电网产生的谐波污染问题，本文分析APFC电路在CCM下的平均电流控制原理，并设计了Boost APFC电路。针对设计的电路搭建模型进行仿真，该电路能够将功率因数提升至0.996，总谐波失真为1.9%，符合国家标准。