蔣　林，王海唐，吳　俊

（西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500）

基于自主均流技術(shù)的功率因數(shù)校正電路的研究*

蔣林，王海唐，吳俊

（西南石油大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610500）

針對(duì)現(xiàn)有的功率因數(shù)校正電源模塊（PFC）直接并聯(lián)后均流精度差的問題，提出一種基于自主均流技術(shù)的功率因數(shù)校正電路。該策略在電源模塊的輸出端引入負(fù)電壓采樣電路和自主均流電路，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正電源模塊的自動(dòng)均流，提高了電源模塊并聯(lián)后的均流精度?；赟aber仿真軟件搭建了基于自主均流技術(shù)的功率因數(shù)校正電路。仿真結(jié)果不僅驗(yàn)證了該電路的有效性，而且也表明了電源模塊的均流精度在輕載并聯(lián)時(shí)能控制在5%以內(nèi)。

均流精度；功率因數(shù)校正電源；自主均流

0　引言

均流技術(shù)是解決在現(xiàn)有功率器件受限的情況下，增加電源的輸出功率和減少研發(fā)成本的有效手段。特別是在通信電源、電鍍電源和雷達(dá)電源等上得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。

現(xiàn)有的均流技術(shù)主要分為：自主均流技術(shù)和主從均流技術(shù)。從本質(zhì)上講，電源的均流都是通過調(diào)整輸出電壓來達(dá)到均流的目的。電源模塊在并聯(lián)運(yùn)行的過程中，很小的輸出電壓都會(huì)引起輸出電流的巨大變化，所以必須限制電源模塊的輸出電壓調(diào)節(jié)量[1]。

AC/DC功率變化電路在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，但隨著大量整流電路的應(yīng)用，給電網(wǎng)造成了很大的諧波污染，影響電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行?，F(xiàn)有治理諧波的方法有集中治理和分布治理，最好的方式都是通過有源功率因數(shù)校正（PFC）電路實(shí)現(xiàn)源頭治理[4]。功率因數(shù)校正電路一般采用Boost電路作為電源的主拓?fù)?，所以電源的效率非常高（大?96%），高功率密度的功率因數(shù)校正電源模塊在國外應(yīng)用得很成熟，國內(nèi)還處于起步階段。由于軍備國產(chǎn)化的要求，國內(nèi)許多電源模塊廠家開始研究功率因數(shù)校正電源模塊。國內(nèi)推出的功率因數(shù)校正電源模塊大多只能單模塊運(yùn)行，不能多電源模塊并聯(lián)運(yùn)行。本設(shè)計(jì)利用自主均流技術(shù)來實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正電源模塊的并聯(lián)運(yùn)行，對(duì)增大電源輸出功率、減少研發(fā)成本和縮短研發(fā)周期等有重要意義[2]。

1　PFC校正電源設(shè)計(jì)

功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵是高頻率開關(guān)和高功率密度，但是這本身是相互矛盾的，高頻率會(huì)增大開關(guān)損耗，影響電源散熱，進(jìn)而影響電源功率密度。在實(shí)際應(yīng)用中，功率變換系統(tǒng)的安放空間是首要考慮的問題，而效率是其次的。因此，在電源設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)高功率密度的重視程度要超過高工作頻率。

通常，根據(jù)電感中電流的波形，功率因數(shù)校正電源有 3種工作模式：連續(xù)電流工作模式（CCM）、臨界電流工作模式（BCM）和斷續(xù)電流工作模式（DCM）。有研究表明，在許多小功率應(yīng)用中，基于 Boost功率因數(shù)校正電路運(yùn)行于臨界電流工作模式或斷續(xù)電流工作模式。這是因?yàn)閷?duì)于CCM工作模式，需要對(duì)電感電流進(jìn)行精確的采樣，然而對(duì)于BCM和DCM來說是不需要精確采樣的。對(duì)于臨界電流工作模式來講，需要在電感上額外添加一個(gè)副邊繞組來檢測電流的過零點(diǎn)，然而對(duì)于DCM來說，這個(gè)電流過零檢測是完全不需要的。

一般處于臨界或斷續(xù)電流工作模式的功率因數(shù)校正電源小于500 W，而本文所設(shè)計(jì)的電源功率為2 kW，所以選用連續(xù)電流工作模式[4]。本文利用交錯(cuò)并聯(lián)技術(shù)來設(shè)計(jì)單電源模塊的主電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。此電路不僅可以提高電源的輸出功率，也能減小電源的輸出紋波，并能防止電源出現(xiàn)次諧波震蕩。

圖1　兩項(xiàng)交錯(cuò)式的BOOST功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)

在設(shè)計(jì)中，最為主要的是儲(chǔ)能元件和開關(guān)器件的選擇。開關(guān)器件的選擇應(yīng)滿足足夠的電壓和電流裕量，更低的功耗。儲(chǔ)能器件的選擇影響到電源的功率、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和沖擊響應(yīng)等，下面給出儲(chǔ)能器件的選擇原則。

1.1電感的設(shè)計(jì)

BOOST變換拓?fù)渲须姼械脑O(shè)計(jì)是十分重要的，已經(jīng)在大量的文獻(xiàn)中予以討論。設(shè)計(jì)的第一步是確保功率因數(shù)校正電路正常運(yùn)行所需要的電感量，這就必須要求即使在最大功率的運(yùn)行狀況下，電感也不能夠達(dá)到飽和狀態(tài)?；谶B續(xù)電流工作模式下的電感選擇可以根據(jù)下式計(jì)算[8]：

式中，UO為電源輸出的直流電壓；fS為開關(guān)管的工作頻率；△Ipk為電感電流的峰峰值，依靠電感電流的平均值(Iavg)來進(jìn)行設(shè)定：

然后，磁性的材質(zhì)和尺寸都必須滿足匝數(shù)和溫度的要求。在實(shí)際應(yīng)用中，由于鐵氧化體磁性材料的高頻損耗低，在開關(guān)電源中得到了廣泛的應(yīng)用。圖2給出了電感的設(shè)計(jì)步驟。

圖2　BOOST電路中電感的設(shè)計(jì)步驟

1.2濾波電容的設(shè)計(jì)

輸出濾波電容決定了電源的功率密度和功率等級(jí)，由于直流母線上的電壓為一個(gè)直流電壓疊加一個(gè)幅值很小的交流紋波電壓。紋波電壓由輸出的功率Po和交流電源的輸入頻率 ω決定[8]：

為了確保功率因數(shù)校正電路的正常運(yùn)行，設(shè)計(jì)參數(shù)必須要滿足以下兩個(gè)條件：

(1)輸出電壓 uo必須大于輸入電壓的最大值，這是為了確保功率因數(shù)校正電源的輸入電流波形跟隨輸入電壓波形的變化而變化。

(2)輸出電壓 uo必須小于電容、開關(guān)管和二極管的最大耐壓值，這樣才能確保功率因數(shù)校正電路的安全運(yùn)行。

這樣就規(guī)定電容的最小容量要求和最小耐壓要求。

1.3基于BOOST的PFC電路數(shù)學(xué)模型

基于平均電流控制模式，電源系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型為：

令D′=1-D，假設(shè)占空比(D)不變的情況下，可得到系統(tǒng)輸出電壓UO(s)對(duì)輸入電壓Vi(s)的傳遞函數(shù)為：

假設(shè)輸入電壓(Vi)不變的情況下，輸出電壓 UO(s)對(duì)系統(tǒng)占空比D(s)的傳遞函數(shù)為：

2　電源均流方案設(shè)計(jì)

要實(shí)現(xiàn)電源的均流控制，首先要對(duì)電流進(jìn)行精確的采樣。目前最簡單的方法是通過電阻取樣，測量電阻兩端的電壓來檢測電流的大小。為了降低損耗，一般采樣電阻為毫歐級(jí)，這就要求對(duì)取樣電壓進(jìn)行放大處理，同時(shí)要求運(yùn)算放大的偏置電流極低。因此，我們選用LTC6102作為電流的放大器，并設(shè)計(jì)單電源供電，其中電流采樣電路和放大電路分別如圖3、圖4所示。

在取得電流信號(hào)之后，討論均流電路的設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)時(shí)，選用UCC29002作為自主均流控制芯片，最為重要的輸出電壓調(diào)節(jié)量和均流環(huán)帶寬。自主均流技術(shù)時(shí)，需要將每個(gè)電源的均流線LS連在一起，每個(gè)電源模塊會(huì)主動(dòng)跟隨LS最大的電源模塊運(yùn)行，如圖5所示。

圖3　電流采樣電路圖

圖4　電流放大電路

圖5　多電源并聯(lián)應(yīng)用

首先，由于UCC29002的最大可調(diào)節(jié)電流為6 mA，采用二極管隔離輸出，輸出電壓的調(diào)節(jié)量需要大于10 V以上，則采樣回路的調(diào)節(jié)電阻為：

其次，均流帶寬的確定。因功率因數(shù)校正電路的電壓外環(huán)帶寬一般為15～20 Hz，那么均流帶寬必須設(shè)置在此帶寬的1/5處。這樣不僅能夠保證系統(tǒng)的快速動(dòng)態(tài)響應(yīng)，也保證了系統(tǒng)的均流精度。圖6給出了電流閉環(huán)控制的結(jié)構(gòu)框圖，其中電流采樣反饋為比例大慣性環(huán)節(jié)，而對(duì)環(huán)路的補(bǔ)償采用比例積分環(huán)節(jié)G(s)來完成。

圖6　電流閉環(huán)控制框圖

于是，整個(gè)電流環(huán)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

在補(bǔ)償器的設(shè)計(jì)中，必須要保證均流環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)的截止頻率在3 Hz以內(nèi)，要預(yù)留出足夠的相位余量（需大于45°）。

均流精度是衡量均流電路的重要指標(biāo)，以兩個(gè)電源并聯(lián)為例，均流精度定義為：

式中：η為均流精度，I1和 I2代表兩模塊的輸出電流。

3　仿真結(jié)果及分析

利用 saber仿真平臺(tái)，搭建了基于自主均流技術(shù)的功率因數(shù)校正電路仿真模型，如圖7所示。當(dāng)進(jìn)行單個(gè)電源仿真時(shí)，直接采用圖7所示的仿真模型；當(dāng)進(jìn)行多個(gè)電源并聯(lián)仿真時(shí)，需要將圖7中單電源的輸出端口并聯(lián)，并且每個(gè)電源模塊的LS端口連在一起。均流控制電路如圖8所示，單個(gè)電源仿真參數(shù)如表1所示。

圖7　基于自主均流技術(shù)的功率因數(shù)校正電路仿真模型

圖8　均流控制電路

表1　單個(gè)電源的仿真參數(shù)

當(dāng)采用單個(gè)電源運(yùn)行時(shí)，仿真結(jié)果如圖9所示。由圖可知，單個(gè)電源能夠可靠穩(wěn)定地運(yùn)行。

圖9　單電源仿真的輸入側(cè)波形

當(dāng)采用兩個(gè)電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，分別在負(fù)載為30%、50%和100%進(jìn)行仿真研究，仿真結(jié)果如表2所示。由表2可知，在負(fù)載超過30%以后，均流精度小于5%。

表2　兩電源模塊并聯(lián)時(shí)的電流仿真結(jié)果

4　結(jié)論

通過理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)表明，本文所設(shè)計(jì)的PFC校正電路及控制電路和均流電路均可行，且并聯(lián)電源在輕載運(yùn)行時(shí)的電流均流精度小于5%，滿足工程實(shí)際應(yīng)用要求。

[1]張軍明，謝小高，吳新科，等.DC/DC模塊有源均流技術(shù)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2005，25(19)：31-36.

[2]丘東元，張波，韋聰穎.改進(jìn)式自主均流技術(shù)的研究[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2005，20(10)：41-47.

[3]高玉峰，胡旭杰，陳濤，等.開關(guān)電源模塊并聯(lián)均流系統(tǒng)的研究[J].電源技術(shù)，2011，35(2)：210-212.

[4]姚凱.高功率因數(shù) DCM Boost PFC變換器的研究[D].南京：南京航空航天大學(xué)，2010.

[5]FIGUEIREDO J P M，TOFOLI F L，SILVA B L A.A review of single-phase PFC topologies based on the boost converter[C].IEEE/IAS International Conference on Industry Applications，2010：1-6.

[6]楊喜軍，陳紅平，葉芃生.單相有源 AC-DC變換器的綜述[J].變頻器世界，2005(2)：11-16.

[7]DAS P，PAHLEVANINEZHAD M，DROBNIK J，et al.A nonlinear controller based on a discrete energy function for an AC/DC boost PFC converter[J].IEEE Transactions on Power Electronics，2013，28(12)：5458-5476.

[8]NUSSBAUMER T，RAGGL K，KOLAR J W.Design guidelines for interleaved single-phase boost PFC circuits[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics，2009，56(7)：2559-2573.

Research on power factor correction circuit based on autonomous current sharing technique

Jiang Lin，Wang Haitang，Wu Jun
(Electrical Information Institute，Southwest Petroleum University，Chengdu 610500，China)

In order to solve the problem of low accuracy for the PFC in parallel,putting forward a power factor regulating circuit basing on automatic current averaging.This idea is aim to achieve automatic current averaging of the power factor regulator,introducing a negative voltage sampling from the output and automatic current averaging circuit.Saber simulation is performed to test the power factor regulator with automatic current.The result of simulation not only proves the practicability of this circuit,but also shows this design can reliably control the accuracy of average current of this power module within 5%when slight load in parallel.

average flow accuracy；power factor correction power supply；automatic current sharing

TM461

A

10.16157/j.issn.0258-7998.2016.05.035

國家自然科學(xué)基金（51204139）；四川省教育廳自然科學(xué)基金（13ZB0199）

2015-12-04)

蔣林（1974-），男，博士，副教授，主要研究方向：電力電子與電力傳動(dòng)、智能控制、新能源變換與控制，E-mail：jlin57@163.com。

王海唐（1989-），男，碩士研究生，主要研究方向：電源變換、新能源變換與控制。

吳俊(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：模糊控制、電機(jī)控制。

中文引用格式：蔣林，王海唐，吳俊.基于自主均流技術(shù)的功率因數(shù)校正電路的研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2016，42(5)：128-130，134.

英文引用格式：Jiang Lin，Wang Haitang，Wu Jun.Research on power factor correction circuit based on autonomous current sharing technique[J].Application of Electronic Technique，2016，42(5)：128-130，134.