一、PFC电路原理概述PFC全称“Power Factor Correction”功率因数校正PFC电路即能对功率因数进行校正或者说是能提高功率因数的电路。是开关电源中很常见的电路。功率因数是用来描述电力系统中有功功率实际使用的功率与视在功率包括有功功率和无功功率的比例。提高功率因数可以减少电能损耗提高系统的效率。1.PFC电路的基本概念1.1.有功功率和无功功率有功功率P也称为实际功率是电路中真正被用来做功的电能。单位是瓦特W。无功功率Q是电路中用于建立电场或磁场的功率它并不直接做功而是在电感和电容元件中来回交换。单位是乏VARVolt-Ampere Reactive。它本身是不会消耗能量的但影响系统的效率。电感和电容储存了多少能量就会释放出多少能量有一部分能量在电感电容中循环相当于不断充放电。这部分能量由于没有被消耗掉所以就可以理解为没有对外做功这部分能量的功率我们就称之为无功功率。视在功率S是电路中总的输入功率包括有功功率和无功功率。单位是伏安VA。1.2.功率因数功率因数PF 有功功率/ 视在功率。其中ϕ是电压和电流之间的相位角。功率因数的值介于0到1之间值越高表示电能使用效率越高相位角越小功率因数也越好相位角为0的时候PF就为1。功率因数校正PFC的一个主要目标是使电流波形与电压波形一致尽量使两者在相位上对齐。理想的功率因数为1表示所有的电力都被有效利用。对于纯阻性负载来说功率但是对于非纯阻性负载来说电路中是带有感性负载或者容性负载P不等于U✖IU✖I的结果是S视在功率。1.3.视在功率、有功功率、无功功率三者关系电流为正弦波Φ就是功率因数角电压和电流之间的相位角而且也是负载的阻抗角。当负载为纯阻性负载输出电压、电流的相位相同。当负载为纯容性负载电流相位超前电压90°此时的功率因数为0无功功率等于视在功率。当负载为纯感性负载电流相位滞后电压90°此时的功率因数为0无功功率等于视在功率。1.4.对于电流不是正弦波的情况THD为电流总谐波畸变I1表示1次谐波电流大小、In表示n次谐波电流大小。谐波畸变也会对电网造成影响包括RFI、EMI。1.5.功率因数的影响低功率因数的影响电能浪费功率因数低意味着无功功率较高电力系统需要额外的容量来输送无功功率增加了电力传输和变压器的负荷。设备损耗增加低功率因数会导致电力设备中的电流增大从而增加电缆和设备的发热和损耗。电压下降低功率因数会使线路上的电压损失增大电流增大电压就会减小导致电力系统中的电压不稳定。高功率因数的优势提高电能利用率高功率因数意味着电能几乎全部用于做功减少了电力损耗。减小设备容量要求由于无功功率的减少电力系统的容量需求降低设备的体积和成本都可以减少。降低电费许多电力公司会对功率因数低的用户收取附加费用因此提高功率因数可以降低电费支出。2. PFC电路的类型2.1 被动PFC基本原理无源PFC其实就是通过电感或者电容对无功功率进行补偿来提高功率因数。容性负载串联电感感性负载并联电容都能对无功功率进行补偿。优点结构简单、成本低。缺点效果有限无法适应变化的负载条件通常功率因数提高到0.7-0.8左右。2.2 主动PFC基本原理使用开关模式电源SMPS技术对输入电压电流采样控制开关管的通断让输入电流跟随输入电压变化实现功率因数的校正提高功率因数。常见拓扑结构Boost PFC电路最常用的主动PFC方案也是下边实验的PFC方案。输入电压通过Boost转换器提升输出电压高于输入电压同时实现功率因数校正。Buck PFC电路用于低输入电压的场合。Buck-Boost PFC电路适用于输入电压可能高于或低于输出电压的情况。3. Boost PFC电路工作原理BoostPFC电路图如下所示输入电流控制通过控制开关元件如MOSFET的导通与关断调节电流波形使其跟随输入电压的波形。电感储能电感在开关导通时储存能量在开关关断时释放能量提供高于输入电压的输出电压。电流反馈使用电流传感器和反馈控制器如PI控制器实时监测输入电流调整开关的占空比以确保电流波形与输入电压同相。输出滤波输出端通常会加上电容器平滑输出电压减少波动。4. PFC电路的目的提高功率因数使其接近1降低电网的无功功率损耗。减少谐波污染提高电源质量。满足国家和地区对电源设备的功率因数标准。5. 设计考虑控制策略选择合适的控制方法如PID、模糊控制等来优化电流波形下边主要用到的是PI控制。开关频率选择合适的开关频率以确保系统效率和EMI电磁干扰符合标准。热管理由于PFC电路中会有损耗需合理设计散热方案。谐波抑制确保电路设计能够满足国际标准如IEEE 802.3、IEC 61000等的谐波要求。二、PFC-Boost电路双闭环控制逻辑双闭环控制策略是PFC控制中的一种经典方案它利用了电压外环和电流内环两个反馈回路来实现稳定的输出电压和高质量的输入电流波形。如下图是Boost电路的双闭环控制基本逻辑就是收集电路的输出电压与电压基准对比作出误差误差经过PI调节后输出一电流基准电路的平均电流或者是其他电路采样电流只不过平均电流用的比较多与这个电流基准对比作出误差误差经过PI调节后生成PWM的占空比驱动开关管控制逻辑图如下图所示。1. PFC双闭环控制概述PFC-Boost电路双闭环控制系统由电压环外环和电流环内环组成分别控制输出电压和输入电流但是与Boost电路的双闭环控制有所不同PFC-Boost电路的输入电压是一个交流电上述Boost电路的输入电压是直流电压。电压环Voltage Loop监测输出电压并与电压基准进行比较作出误差误差信号通过电压环的补偿器PI控制器生成一个中间系数没有实际意义将这个中间系数与输入电压相乘得到输入电压的相位并计算出电流基准值电流命令因为电压是正弦的所以电流基准值也是正弦变化的这个电流基准值就是期望的电流波形。电流环Current Loop控制输入电流的波形使其与输入电压同相并保持正弦波形从而达到功率因数校正的目的。电流环的基准来自电压环的输出其目标是确保输入电流跟踪参考电流。我们将实际的输入电流与期望的电流作差计算出电流误差值然后经过电流环调节使用PI控制器进行调节计算出合适的占空比再经过PWM发波器输出占空比变化的PWM波从而控制MOS的开关实现电流跟随电压了。2.PFC双闭环的控制逻辑详细说明PFC双闭环的核心思想是电压环负责维持稳定的输出电压而电流环则负责调节输入电流的形状。具体的控制逻辑如下2.1电压环外环功能电压环的主要目的是保持直流侧输出电压通常是一个稳定的直流电压如400V在设定值附近避免由于负载变化而导致输出电压的波动。控制流程电压检测测量输出电压 Vou 并与参考电压 Vreff目标输出电压进行比较。误差计算计算输出电压与目标电压之间的误差 VerrorVref−Vout。PI调节器将误差输入到电压环的PI调节器通过积分和比例控制将误差信号转化为一个系数系数与输入电压相乘作为电流基准信号 Iref电流环的输入。电压环的输出不是直接控制开关管的占空比而是产生一个电流基准信号 Ire作为电流环的目标。2.2电流环内环功能电流环的主要目的是使输入电流 Iin 跟踪参考电流 Iref从而确保输入电流与输入电压同相并呈现正弦波形达到功率因数校正的目的。控制流程电流检测检测输入电流 Iin并将其与参考电流 Iref 进行比较。误差计算计算输入电流与参考电流之间的误差 IerrorIref−Iin。PI调节器将电流误差输入到电流环的PI调节器生成控制信号用于调节Boost PFC电路中的开关管的占空比 D。通过调整占空比改变电感中的能量存储和释放以调节输入电流使其与参考电流 Iref保持一致。3.PFC双闭环控制的关键点3.1电流环的设计电流环作为内环其响应速度比电压环要快因为它直接调节Boost电感中的电流且需要确保输入电流快速跟踪参考电流。因此电流环通常使用高带宽的PI控制器能够快速响应电流误差并产生准确的占空比。3.2电压环的设计电压环的响应速度通常较慢因为输出电压的变化较为缓慢主要是由于大电容滤波的存在。为了维持输出电压稳定电压环需要能够处理由负载变化引起的慢速扰动。电压环的PI控制器设计时带宽较低能够在较大的时间常数下产生平稳的电流基准信号 Iref。3.3谐波和功率因数控制通过电流环控制输入电流的形状使其与输入电压保持相同的相位和波形减少谐波失真提高功率因数。当电流环控制得当时输入电流几乎是一个正弦波且与输入电压同相从而实现功率因数校正。4.PFC双闭环控制的优缺点4.1优点高功率因数通过电流环控制输入电流能够很好地跟踪输入电压的波形功率因数接近1。稳定的输出电压电压环的外环能够有效调节输出电压使其保持稳定适应负载变化。快速动态响应电流环能够快速调整输入电流确保输入电流的快速跟踪改善系统的动态响应。4.2缺点设计复杂度高双闭环控制需要对电流环和电压环分别设计控制器并确保两者之间的协调配合设计和调试复杂度较高。成本增加由于需要额外的电流和电压检测电路以及更复杂的控制逻辑系统的实现成本有所增加。三、PFC-Boost电路双闭环MATLAB仿真PFC-Boost电路图如下1.MATLAB仿真模型1.1.仿真模型图相比较前边Boost升压电路PFC电路的输入换成了交流电和由四个二极管组成的整流电路在电压外环控制中我们的目标电流基准值需要和输入电压的绝对值相乘因为我们需要一个和输入电压同相位的输入电流。在这里的PI参数随便设定的因此到达稳态后的时间比较长1.2.器件参数设置模块参数输入电压220*sqrt(2)V 50Hz限流电阻1E-3Ω输入电容2E-6F电感1.5E-3H二极管体电容1e-12F输出电容240E-6F负载电阻280Ω开关频率45KHz采样时间1/45KHz/100四个二极管1.3.实验结果输出电压稳态后在380V左右。输入电压和输入电流基本同相位输入电流也呈现正弦但是可以看到电流谐波很大我们的模型参数设置并不好。