基于ML4841的具有APFC功能的ACDC变换器设计

基于ML4841的具有APFC功能的AC/DC变换器设计

基于ML4841的具有APFC功能的AC/DC变换器设计 2011： 黑龙江省科学院自动化研究所 高强黑龙江省科技情报研究所 聂枝玉　1引言 随着各种非线性的、时变的负载大量涌现，特别是具有整流入端AC/DC变换器的电力电子装置的广泛应用，向电力系统注入大量谐波，引起电网电流畸变，使电网功率因数下降，对电力系统的安全运行造成不利影响。这类AC/DC变换器的入端电压大致上为正弦波，但输入电流却发生了畸变。这是因为只有当输入交流电压高于整流滤波电压的短时间内才能从电网中抽取电流，而滤波电路的阻抗很低，电流的瞬时值相当高，造成电网侧输入电流严重的非线性，含有大量的谐波分量。输入电流可以表示为(1)式，其中I1(t)为基波电流，In(t)谐波电流，(n=2-∞)。输入端电压畸变较小，为方便分析忽略输入电压畸变，则输入电压可表示为(2)式，功率因数(PF)为(3)式，其中有功功率为(4)式，视在功率为(5)式，其中V1、I1分别为基波电压与基波电流的有效值，电流畸变率THD为(6)式，将(4)、(5)代入(3)式得到PF为(7)式。式(7)说明功率因数PF的大小与电流总的谐波含量THD有直接的关系且呈反比的关系。因此消除THD与提高功率因数二者是统一的。在AC/DC变换器中输入电流的畸变必然导致电流总的谐波含量THD的增加，显然谐波电流的存在是导致功率因数下降的根本原因。因此减少电路THD的含量才能改善电网的功率因数。 2APFC技术原理分析2.1主电路拓扑结构 APFC技术的主电路拓扑采用开关变换器。原则上，任何一种开关变换器，如升压式、降压式、反激式等均可。图2示出4种主电路拓扑，无论采用哪种主电路拓扑结构，只要能使AC/DC变换器的输入电流跟随输入电压波形，逼近正弦就可以提高网侧功率因数。升压式(Boost电路)变换器由于具有电感电流连续、储能电感也作为滤波器抑制RFI和EMI噪声、电流波形失真小、输出功率大及驱动电路简单等优点，常作为主电路拓扑结构。以下以Boost电路拓扑为例进行分析，图1为不控整流加Boost电路的AC/DC变换器原理图。　　 为方便分析，设图3中所有元件均为理想元件。在AC/DC变换器APFC技术中要求开关管S的开关频率远大于AC/DC变换器输入电压频率，从而认为在每一个开关周期内的输入电压恒定。严格来讲，电感电流存在三种工作情况：断续、连续、临界连续。图2为三种情况下电感电流示意图。　 现以电流断续情况为例进行分析，另外两种情况可类似讨论。设开关周期为T，则在每一个开关周期内，Boost电路有三种工作状态：1，S通、D断；2，S断，D通；3，S、D皆断。这三种情况分别对应2a的电流上升、电流下降和电流为零。由图2a可知电感电流的峰值即是每一个开关周期内电流所能上升的最大值。设第K个开关周期内AC/DC变换器的输入电压为UＫ，元件为理想情况下UK即等于电感电流在第K个开关周期内电流上升段(设持续时间Δt)所对应的电感两端电压如图1所示。注意到电流上升阶段对应S通D断状态，列出电感电流方程：表明电感电流的峰值呈正弦规律变化，从而电感电流的平均值的变化趋近于正弦。这样网侧功率因数得以提高，谐波电流被抑制。2.2控制策略 目前AC/DC变换器APFC技术的控制策略有单环控制和双环控制两种。单环控制又分为平均电流模式、峰值电流模式、滞后电流模式和电压模式等；双环控制是将电流控制与电压控制融为一体的模式。图3是双环控制的原理电路图，采用Boost电路作为开关变换器网侧电流反馈控制内环，电流检测信号经电流反馈网络送入乘法器；输出端直流电压反馈控制外环，电压检测信号经误差放大器也送入乘法器，最后从乘法器输出的信号送入PWM比较器，从而控制开关管S的占空比。内环控制大大提高了系统的瞬态响应能力；外环控制使系统具有高度的静态电压稳定性，而且展宽了AC/DC变换器输入电压的调节范围。

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