引言

由于電力電子裝置在工業(yè)及民用中不斷普及，給電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的諧波污染，因此功率因數(shù)校正技術(shù)(Power Factor Correction，PFC)越來越受到人們的關(guān)注。單相升壓型PFC變換器由于其高功率因數(shù)、高效率得到了廣泛的應(yīng)用，但是在輸入電壓過零附近，輸入電流會發(fā)生畸變。隨著輸入頻率增加時(shí)，尤其是航空電網(wǎng)頻率在360 Hz一800 Hz時(shí)，畸變會變得更加嚴(yán)重，各次諧波很難滿足航空系統(tǒng)提出的RTCADO一160D標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)存的PFC設(shè)計(jì)技術(shù)在航空電源的應(yīng)用中受到了局限。

近年來，高性能PFC技術(shù)的研究又激發(fā)了人們的熱情，提出了各種方法和電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來改善輸入電流過零畸變，使輸入電流諧波滿足航空電源系統(tǒng)提出的標(biāo)準(zhǔn)。

隨著電網(wǎng)頻率增加時(shí)，輸入電流超前于輸入電壓的相位會增加，從而使功率因數(shù)降低，電流諧波含量增大，提出了抵消超前相位導(dǎo)納技術(shù)(LPAC)來減小過零畸變；當(dāng)輸入電壓過零時(shí)，輸入電流跟蹤不上基準(zhǔn)電流的相位Φc和輸入電流與電壓之間的相位差θ是產(chǎn)生過零畸變的根本原因，提出采用多電平技術(shù)來減小過零畸變和電流諧波含量；一種改善PFC變換器輸入電流過零畸變的方法的資料提出了一種數(shù)字控制策略，通過在輸人電壓過零點(diǎn)時(shí)刻檢測輸入電流值，根據(jù)檢測到的值實(shí)時(shí)修正參考輸入電壓的初相角，直至輸入電流與輸人電壓同相位，從而減小輸入電流過零畸變。

本文介紹上述三種方法來改善輸入電流過零畸變，從而減小輸入電流諧波，重點(diǎn)介紹了LPAC技術(shù)來改善過零畸變。通過比較這三種方法，得出電流相位超前補(bǔ)償技術(shù)在工程應(yīng)用中是最適合的方法，并且基于控制芯片UCC3817，設(shè)計(jì)制作了一臺實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該方法的可行性。

1 減小輸入電流諧波的方法

1．1 三電平技術(shù)

當(dāng)輸入電壓過零時(shí)，輸入電流跟蹤

不上基準(zhǔn)電流的相位Φc，輸入電流與電壓之間的相位差θ是產(chǎn)生過零畸變的根本原因。為了減小Φc，需要減小L，受電流紋波的限制，必須提高系統(tǒng)的開關(guān)頻率；為了減小θ，需要減小CZ、CP和L，這樣會提高系統(tǒng)的截止頻率，系統(tǒng)要保證穩(wěn)定也需要相應(yīng)地提高開關(guān)頻率。三電平技術(shù)在不提高開關(guān)頻率的前提下，等效開關(guān)頻率提高了2倍，并減小電感到原來的1／4，即LTLBoost=LBoost／4，這樣可以有效減小高頻輸入時(shí)的Φc。本文采用三電平變換器作為PFC變換器的拓?fù)?，Boost三電平拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

為了驗(yàn)證該技術(shù)的正確性，筆者進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，分別制作了一臺1 kW Boost TL和Boost PFC變換器原理樣機(jī)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)：輸入交流電壓為Uin=115Vac±10%/400—800 Hz；輸出電壓Uo=200 V；輸出電流Io=5A；TLBoost電感為LTLBoost=0.09 mH；Boost電感為LBoost=0.36 mH；TL Boost輸出濾波電容Cf1=Cf2=2 400μF；Boost濾波電容Cf= 2400μF；開關(guān)頻率為.fs=100 kHz。

圖2為Boost PFC變換器在輸入電壓為115 V滿載時(shí)，輸入頻率分別是400 Hz和800 Hz時(shí)的輸人電壓和電流波形。采用Boost TL PFC變換器，實(shí)驗(yàn)波形如圖3所示。從圖3可知，TL PFC變換器明顯改善了輸入電流的波形，電流諧波含量減小了。

1．2 數(shù)字控制技術(shù)

針對Boost PFC變換器輸入電流過零畸變的原因，網(wǎng)絡(luò)資料一種改善PFC變換器輸入電流過零畸變的方法中提出了數(shù)字控制策略(如圖4所示)，來改善PFC輸入電流過零畸變。通過在輸入電壓過零點(diǎn)檢測輸入電流值，根據(jù)所檢測到的電流值來實(shí)時(shí)修正參考輸入電壓Ug( t)，直到輸入電流與輸入電壓同相位，從而減小輸入電流的波形畸變。通過編程實(shí)現(xiàn)對參考輸人電壓信號相位的控制，而不需要對主電路做任何改動。

本文應(yīng)用MATLAB的Simulink和Power-system Block工具箱對前文設(shè)計(jì)的回路與控制回路進(jìn)行了仿真。輸入交流頻率為400 Hz時(shí)，Boost PFC變換器的輸入電流波形和諧波分析如圖5所示，由圖5(a)、(b)可以看出，在輸入交流頻率為400 Hz時(shí)，所提出的數(shù)字控制方法大大改善了輸入電流過零畸變，輸入電流諧波由8.74%降至3.97%，有效地減小了輸入電流諧波。

1．3 抵消超前相位導(dǎo)納技術(shù)(LPAC)

Boost PFC變換器輸入電流過零畸變是由輸入電流相位超前于輸入電壓引起的，并且輸入電流相位超前是由于Y1(s)的存在，如果再并聯(lián)一個(gè)導(dǎo)納Y3(s)，(如圖6所示)使其等于-Y1(s)，那么Y(s)=Y2(s)，輸入電流與輸入電壓就同相位。

為了抵消Y1(s)，在誤差信號ieer處從輸入端引入一個(gè)新的傳遞函數(shù)Hc(s)，如圖7所示。

該方法的優(yōu)勢是可以利用現(xiàn)有的誤差放大器來實(shí)現(xiàn)LPAC技術(shù)。則

帶LPAC技術(shù)的Boost PFC控制系統(tǒng)如圖8所示，Hc(s)是補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的一部分，Rc—Cc連接到電流環(huán)誤差放大器的反相輸入端，另一端通過增益hc連接到Ug，則：

由式(2)和(4)得：

Rc—Cc補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用到現(xiàn)有的PFC控制系統(tǒng)，并不需要重新設(shè)計(jì)。基于UCC3817控制的Boost PFC變換器與Rc—Cc補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)相連接的電路結(jié)構(gòu)如圖9所示，與圖8所示電路相比較，需要加一個(gè)反相器，把ug信號連接到Rc—Cc電路。

從上述理論分析知，LPAC技術(shù)能完全消除輸入過零畸變，并且硬件實(shí)現(xiàn)電路也很簡單，在文中的第3節(jié)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該方法的可行性。

2 三種方法的比較

上節(jié)分析了三種方法來改善輸入電流過零畸變。通過上述的分析知：三電平技術(shù)在消除過零畸變，取得了一定的效果，但是電路結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，并且需要對兩個(gè)輸出電容進(jìn)行均壓，控制較復(fù)雜，電路整個(gè)成本會增加，在工程應(yīng)用中是不適合的；數(shù)字控制技術(shù)在仿真分析上是可以減小輸入電流諧波，但是在硬件電路上實(shí)現(xiàn)也會很復(fù)雜，而且要大大增加電路的成本，同樣在工程應(yīng)用中是不適合的；對于LPAC技術(shù)來說，只要增加兩個(gè)無源器件和一個(gè)反向器，就可以直接應(yīng)用到現(xiàn)有的PFC控制系統(tǒng)，并不需要重新設(shè)計(jì)，第3節(jié)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，該方法可以應(yīng)用到實(shí)際工程中。

3 采用LPAC技術(shù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于控制芯片UCC3817，設(shè)計(jì)并制作了一臺輸出100 W 的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，主電路結(jié)構(gòu)如圖9所示。實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)為：

實(shí)驗(yàn)波形如圖10所示。圖中，Ch1：輸入電流波形(0．5A／div)；Ch2：輸入電壓波形(50 V／div)。由圖10(a)可以看出，未加LPAC補(bǔ)償時(shí)，輸入電流畸變非常明顯；由圖10(b)可以看出，加LPAC補(bǔ)償后，輸入電流畸變明顯消失。由測得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，加LPAC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)前后，變換器在滿載時(shí)，輸入電流諧波含量THD分別為6.5%，2.2%，補(bǔ)償后的輸入電流諧波含量能滿足航空電源諧波標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論

介紹了三種方法來改善輸入電流過零畸變和減小輸入電流諧波含量，重點(diǎn)介紹了LPAC技術(shù)來改善過零畸變。通過比較這三種方法，得出電流相位超前補(bǔ)償技術(shù)在工程應(yīng)用中是最適合的方法，并且基于控制芯片UCC3817，采用LPAC技術(shù)，設(shè)計(jì)并制作了一臺實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。在輸入電壓頻率為400Hz時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，LPAC技術(shù)能明顯減小過零畸變，輸入電流諧波含量能滿足航空電源諧波標(biāo)準(zhǔn)，證明了該方法的可行性。