两种高功率因数开关电源设计方案分析

引言

传统的开关电源整流电路普遍采用不可控二极管或相控晶闸管整流方式，直流侧采用大电容滤波，输入电流谐波含量大，功率因数低，造成了严重的电网污染和能源浪费。目前，解决谐波问题、提高功率因数的主要方法：(1)对产生谐波的电力电子装置的拓扑结构和控制策略进行改进，使其产生较少的谐波甚至不产生谐波，使得输入电流和输入电压同相，达到提高功率因数的目的，如PWM整流技术;(2)在整流桥和滤波电容之间加一级用于功率因数校正的功率变换电路，如有源功率因数校正(APFC)技术。近些年来APFC技术和PWM技术在中、小功率乃至大功率开关电源中得到了普遍应用。本文以高功率因数开关电源作为研究对象，分析采用APFC技术和PWM整流技术来提高功率因数的原理，并采用Matlab7.6软件对单相电压型PWM整流电路和APFC电路进行了仿真及分析比较。

高功率因数开关电源的设计方案

1、采用PWM整流技术的开关电源

采用PWM整流技术的高功率因数开关电源的结构如图1所示，本文只探讨其中的PWM整流电路部分。

图1采用PWM整流技术的高功率因数开关电源结构

该种高功率因数开关电源设计方案采用PWM整流技术和DSP技术，能数字化地实现整流器网侧单位功率因数正弦波电流控制，比较适合应用于中等功率开关电源设计中。

2、采用APFC技术的开关电源

采用APFC技术的高功率因数开关电源，其前级APFC电路采用实际生产中应用最广泛的Boost拓扑结构，负责使交流输入电流正弦化并使其与输入电压同相位，同时保持输出电压稳定、后级DC/DC变换电路采用能实现多路输出的反激式拓扑结构，主要负责调整输出电压，通过DC/DC变换得到所需要的直流电压，其结构如图2所示。

图2采用两级型APFC的高功率因素开关电源结构

单相PWM整流电路的基本原理

本节采用图1所示的方案，其前级如图3所示，即单相全桥电压型PWM整流电路，电路采用有4个全控型功率开关管的H桥型拓扑结构。图3中网侧电感为升压电感，起平衡电路电压、支撑无功功率、储存能量和滤除谐波电流的作用;Rs为滤波电感的寄生电阻；主电路中功率开关均反并联一个续流二极管，用来缓冲PWM过程中的无功电能。

单相全桥电压型PWM整流电路的SPWM调制方法分为单极性调制和双极性调制两种，本文采用单极性调制。

单相全桥电压型PWM整流器选择响应速度较快的三角波电流比较法作为控制策略。因反馈到电压外环的输出电压含有纹波电压，而纹波电压的存在将导致电流内环的给定电流发生畸变，因此本文采用补偿输出直流电压中纹波电压的方法[4]来减少流入电压控制环的纹波电压，从而改善给定电流的波形。按照以上原理设计的单相全桥电压型PWM整流器的控制系统结构如图4所示。

图4单相全桥电压型PWM整流器的控制系统结构

由图4可知，PWM整流控制系统中需要检测的信号有输入交流电压us、输出直流电压ud以及输入交流电流is.us是闭环控制中相位检测的输入信号；通过比较ud与给定参考电压u*d以及直流侧纹波电压补偿u~d来决定电压外环PI调节器的输出im，并将其与输入电压同步信号sinωt的乘积作为指定电流i*s；is与i*s的差值决定电流内环PI调节器的输出;最后比较电流内环PI调节器的输出与三角载波，产生PWM信号来控制开关管的关断。这样，电流PI调节器的输出决定PWM信号的占空比，使实际输入电流逼近指定电流值。