引言

傳統(tǒng)的開關(guān)電源整流電路普遍采用不可控二極管或相控晶閘管整流方式，直流側(cè)采用大電容濾波，輸入電流諧波含量大，功率因數(shù)低，造成了嚴(yán)重的電網(wǎng)污染和能源浪費。目前，解決諧波問題、提高功率因數(shù)的主要方法：(1)對產(chǎn)生諧波的電力電子裝置的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制策略進(jìn)行改進(jìn)，使其產(chǎn)生較少的諧波甚至不產(chǎn)生諧波，使得輸入電流和輸入電壓同相，達(dá)到提高功率因數(shù)的目的，如PWM整流技術(shù);(2)在整流橋和濾波電容之間加一級用于功率因數(shù)校正的功率變換電路，如有源功率因數(shù)校正(APFC)技術(shù)。近些年來APFC技術(shù)和PWM技術(shù)在中、小功率乃至大功率開關(guān)電源中得到了普遍應(yīng)用。本文以高功率因數(shù)開關(guān)電源作為研究對象，分析采用APFC技術(shù)和PWM整流技術(shù)來提高功率因數(shù)的原理，并采用Matlab7.6軟件對單相電壓型PWM整流電路和APFC電路進(jìn)行了仿真及分析比較。

高功率因數(shù)開關(guān)電源的設(shè)計方案

1、采用PWM整流技術(shù)的開關(guān)電源

采用PWM整流技術(shù)的高功率因數(shù)開關(guān)電源的結(jié)構(gòu)如圖1所示，本文只探討其中的PWM整流電路部分。

圖1采用PWM整流技術(shù)的高功率因數(shù)開關(guān)電源結(jié)構(gòu)

該種高功率因數(shù)開關(guān)電源設(shè)計方案采用PWM整流技術(shù)和DSP技術(shù)，能數(shù)字化地實現(xiàn)整流器網(wǎng)側(cè)單位功率因數(shù)正弦波電流控制，比較適合應(yīng)用于中等功率開關(guān)電源設(shè)計中。

2、采用APFC技術(shù)的開關(guān)電源

采用APFC技術(shù)的高功率因數(shù)開關(guān)電源，其前級APFC電路采用實際生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，負(fù)責(zé)使交流輸入電流正弦化并使其與輸入電壓同相位，同時保持輸出電壓穩(wěn)定、后級DC/DC變換電路采用能實現(xiàn)多路輸出的反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要負(fù)責(zé)調(diào)整輸出電壓，通過DC/DC變換得到所需要的直流電壓，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2采用兩級型APFC的高功率因素開關(guān)電源結(jié)構(gòu)

單相PWM整流電路的基本原理

本節(jié)采用圖1所示的方案，其前級如圖3所示，即單相全橋電壓型PWM整流電路，電路采用有4個全控型功率開關(guān)管的H橋型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3中網(wǎng)側(cè)電感為升壓電感，起平衡電路電壓、支撐無功功率、儲存能量和濾除諧波電流的作用;Rs為濾波電感的寄生電阻；主電路中功率開關(guān)均反并聯(lián)一個續(xù)流二極管，用來緩沖PWM過程中的無功電能。

單相全橋電壓型PWM整流電路的SPWM調(diào)制方法分為單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種，本文采用單極性調(diào)制。

單相全橋電壓型PWM整流器選擇響應(yīng)速度較快的三角波電流比較法作為控制策略。因反饋到電壓外環(huán)的輸出電壓含有紋波電壓，而紋波電壓的存在將導(dǎo)致電流內(nèi)環(huán)的給定電流發(fā)生畸變，因此本文采用補(bǔ)償輸出直流電壓中紋波電壓的方法[4]來減少流入電壓控制環(huán)的紋波電壓，從而改善給定電流的波形。按照以上原理設(shè)計的單相全橋電壓型PWM整流器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4單相全橋電壓型PWM整流器的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

由圖4可知，PWM整流控制系統(tǒng)中需要檢測的信號有輸入交流電壓us、輸出直流電壓ud以及輸入交流電流is.us是閉環(huán)控制中相位檢測的輸入信號；通過比較ud與給定參考電壓u*d以及直流側(cè)紋波電壓補(bǔ)償u~d來決定電壓外環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出im，并將其與輸入電壓同步信號sinωt的乘積作為指定電流i*s；is與i*s的差值決定電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出;最后比較電流內(nèi)環(huán)PI調(diào)節(jié)器的輸出與三角載波，產(chǎn)生PWM信號來控制開關(guān)管的關(guān)斷。這樣，電流PI調(diào)節(jié)器的輸出決定PWM信號的占空比，使實際輸入電流逼近指定電流值。