[资料分享]

基于Matlab的交流斩波型PFC电路仿真研究

[复制链接]
477|3
手机看帖
扫描二维码
随时随地手机跟帖
Sode|  楼主 | 2019-4-15 18:01 | 显示全部楼层 |阅读模式
本帖最后由 airwill 于 2019-4-29 20:56 编辑

于Matlab的交流斩波型PFC电路仿真研究

0 引 言

大量电力电子装置和非线性负载的广泛应用,使得电力系统电压及电流波形发生畸变,产生了大量的谐波,导致电源输入功率因数降低,对电网环境造成严重的污染,使用电设备所处环境恶化,也对周围的通信系统和公共电网以外的设备带来危害。为了改善电网环境,必须了解产生谐波污染的原因,并对谐波进行有效的抑制,进行功率因数校正。为了提高供电线路功率因数,保护用电设备,世界上许多国家和相关国际组织制定出相应的技术标准,以限制谐波电流含量。如:IEC555-2,IEC61000-3-2,EN60555-2等标准,规定允许产生的最大谐波电流。


1 谐波的抑制与功率因数校正方法

解决电力电子装置和其他谐波源的污染问题主要有两种方法:一是采用无源滤波或有源滤波电路来旁路或滤除谐波;二是对电力电子装置本身进行改造,使其补偿所产生的谐波,采用功率校正电路,使其具有功率因数校正功能。

功率因数校正(PFC)技术主要为无源PFC和有源APFC。无源PFC是采用无源元件来改善功率因数,减小电流谐波的,方法简单但电路庞大笨重,有些场合无法适用,且功率因数一般能达到0.90。有源APFC是将一个变换器串入整流滤波电路与DC/DC变换器之间,通过特殊的控制,强迫输人电流跟随输入电压,使得输入电流波形接近于正弦波,并且与输入电压同相位,提高功率因数,使其达到功率因数为1的目标。反馈输出电压使之稳定,从而使DC/DC变换器的输入事先预稳,该方法设计易优化,性能进一步提高,因此应用广泛。


2 传统功率因数校正电路的结构及其缺点

基于PFC的拓扑电路的研究现在已经非常成熟,而且得到了十分广泛的应用,使用得最多的是升压斩波(Boost)和降压斩波(Buck)电路。传统的单相功率因数校正电路的结构如图1所示。

20091120172514734_10547_0_副本.jpg

其中,Boost拓扑电路由于结构简单和成本低廉而最为流行,电路中交流电源通过专用整流桥转换成直流,后经过Boost PFC电路输出,该方法具有较好的控制效果,在中小功率电源中应用较为广泛。但其也存在一些缺点:

(1)任何时刻都有三个半导体器件导通,随着功率的提高,整流桥上消耗的功率也会随之增加,从而提高了电源的发热损失,降低了电源效率;

(2)该Boost电路有很高的开关频率,增大了电路的开关损耗;

(3)直流侧的二极管降低了直流电压,增加了电路功耗和不稳定性。

应用这里所提出的交流斩波功率因数校正电路,可以解决传统校正电路中存在的以上问题。


3 交流斩波功率因数校正器的基本电路和工作原理

3.1 Boost型交流斩波功率因数校正电路

Boost型交流斩波功率因数校正电路的基本结构如图2所示。

20091120172515580_10547_1_副本.jpg

Q为双向开关管。当开关管导通时,输入电流通过电感和开关管,电感储能,同时直流侧滤波电容给负载供电;当开关管断开时,输入电流经过电感和整流二极管到达负载端,电感储能和交流电源同时给负载和电容供电。

可以看出,与传统的功率因数校正电路相比较,具有以下优点:当开关管导通时,主回路电流不经过整流桥的二极管,减小了功率损耗;传统电路中的快速恢复二极管VD在交流斩波功率因数校正电路中也不存在了,减小了功率损耗,提高了系统的工作可靠性。

该电路相当于两个Boost电路的并联,在克服传统Boost PFC电路缺点的同时,保留了升压电路的优点。该方法的优点在于:

(1)增强了传统PFC电路的谐波抑制和功率因数校正能力,可实现单位功率因数;

(2)交流侧的电感增强了电路的电磁兼容性;

(3)降低了电路的传导损失,任何时刻都只有两个半导体器件导通;

(4)通过开关管M1和M2的额定电流较小。


3.2 Buck型交流斩波功率因数校正电路

图3所示的为Buck功率因数校正电路的基本结构,Q为双向开关管。当开关管断开时,输入电流通过电感、电容和开关管,电容C1储能。

20091120172515621_10547_2_副本.jpg

当开关管导通时,此时输入电流经过整流二极管到达负载端,电容储能和交流电源同时给负载和电容供电。可以看出,Buck型交流斩波功率因数校正电路中,当开关管断开,主回路电流不经过整流桥的二极管,可达到减小功率损耗的目的。


4 仿真分析

Simulink软件是Matlab软件包的扩展,专门用于动态系统的仿真,具有很强的动态系统仿真能力,仿真速度较快,特别是基于simuIink Power System工具箱进行功率因数校正电路的仿真,有两个优点:

(1)基于器件模型,可以仿真器件参数变化对系统的影响;

(2)仿真模型复杂。精度较高。可以将计算机仿真技术运用到PFC装置的分析和设计中。

以Boost型为例,对文中所提出的交流斩波功率因数校正电路进行仿真分析。功率因数校正电路采用输入电流断续工作模式的峰值电流控制,仿真参数:uin=311sin ωt,L=0.7 mH,输出功率P=500 W,uout=300 V。按图4模型建模,仿真波形如图5、图6所示。其中,图5为输入电压、电流的波形,图6为输出电压的波形。

20091120172515360_10547_3_副本.jpg


20091120172515371_10547_4_副本.jpg

20091120172515797_10547_5_副本.jpg


从图5可以看出,输入电压和输入电流进入稳态后,输入电压和输入电流相位几乎一致,输入电流也几乎是正弦波。整个仿真时间段内的功率因数约为0.997。从图6可看出,输出电压随着仿真时间的进行,逐渐趋于稳定状态,输出电压在300 V上下波动,符合电路设计要求。


5 结 语

这里讨论了应用较为成熟的单相Boost PFC电路的不足,介绍一种新型单相交流斩波功率因数校正电路,分析了其工作原理,并给出了仿真波形。结果表明,输人电流具有很高的品质因数,基本为标准的正弦波形,与输入电压相位相近,实现了高功率因数。与传统的电路相比,能减少系统的功耗,提高系统工作的可靠性,而取得相同的控制效果。仿真结果验证了方案的可行性。方案中的交流斩波电路除了采用Boost型和Buck型外,也可采用其他的功率变换电路。



使用特权

评论回复
评论
gnaijnaoul 2019-4-18 08:36 回复TA
“传统电路中的快速恢复二极管VD在交流斩波功率因数校正电路中也不存在了” 这个二极管挪个位置就不用快回复二极管,没道理吧? 

相关帖子

Sode|  楼主 | 2019-4-15 18:01 | 显示全部楼层
于Matlab的交流斩波型PFC电路仿真研究

使用特权

评论回复
equivalent| | 2019-4-16 15:45 | 显示全部楼层
功率因数校正(PFC)技术主要为无源PFC和有源APFC。

使用特权

评论回复
发新帖 我要提问
您需要登录后才可以回帖 登录 | 注册

本版积分规则

1049

主题

1522

帖子

8

粉丝