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全桥PFC电路及MATLAB仿真

news 文章来源：https://blog.csdn.net/Fourglsl/article/details/143228776 2024/11/6 17:33:25

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（VAR，Volt-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）。
$PF=P/S=cos\varphi$
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 $P=UI$ ，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✖I，U✖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）：

$P=S*cos\varphi$

$Q=S*sin\varphi$

$PF=P/S=cos\varphi$

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

$PF=cos\varphi /\sqrt{1-THD^{2}}$

$THD=\sqrt{I\tfrac{2}{2}+I\tfrac{2}{3}+...+I\tfrac{2}{n}}/I_{1}$

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参考电压对比作出误差，误差经过PI调节后输出一参考电流，电路的平均电流与这个参考电流对比作出误差，误差经过PI调节后生成PWM的占空比控制MOS管。

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）：监测输出电压并与参考电压进行比较作出误差，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，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，就能实现电流跟随电压了。

2. PFC双闭环的控制逻辑

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：
1. 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。
2. 误差计算：计算输出电压与目标电压之间的误差 Verror=Vref−Vout。
3. 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：
1. 电流检测：检测输入电流 Iin，并将其与参考电流 Iref 进行比较。
2. 误差计算：计算输入电流与参考电流之间的误差 Ierror=Iref−Iin。
3. 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

输入电压：

限流电阻：

电容：

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。