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单相Boost功率因数校正电路（PFC）设计与仿真（Simulink & Saber）：第一章 PFC基础知识与电路参数设计_单相有源pfc仿真

作者：神奇cpp | 2024-08-13 13:26:24

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单相有源pfc仿真

写在前面

教程是根据Mathworks公司的有源功率因数校正教程（点这里跳转）和那日沙等老师编著的《电力电子、电机控制系统的建模及仿真》改写的，设计思路基本与之一致，嫌看文章麻烦的同学可以直接跳转看视频和查阅相关书籍。Simulink仿真部分对视频内容展示的仿真电路做了一点简化，Saber仿真部分完全参考教材。在这篇教程中，我会详细撰写仿真电路的设计过程，包括仿真中控制器的各个参数如何获得。通过这系列教程，希望你能了解：

（1）PFC电路的基本工作原理；

（2）PFC电路的构成和参数设计；

（3）使用Simulink中的Control Design工具箱对系统做频率响应估计；

（4）控制器参数整定的大致思路；

（5）使用MATLAB的PID Tuner工具整定PID控制器参数。

希望这篇文章能帮助到你。如有不足之处虚心接受批评和建议，另希望转载的同学注明下出处，谢谢！

特别地，教程内容完全开源，不会用于商业用途。也请不要将教程中的内容用作商业用途。

第一章没有与仿真设计相关的内容，全部为基础知识，需要参阅仿真设计的伙计直接跳转到第二章。

第一章 PFC基础知识与电路参数设计

在电网中，我们可能会接入很多整流性负载，而整流性负载带来的很大问题就是电源的输入电流会带有很多谐波。比如这样一个经典的单相桥式不可控整流电路：

我们来观察下它的输入电流波形：

可以看出电流的畸变程度非常高。进一步地，还可以用powergui中的FFT（快速傅里叶变换）工具对波形的各次谐波进行分析。

其中THD（总谐波失真）是衡量畸变程度的关键指标。THD指数很高意味着谐波分量过大，这样会导致电源输入的功率因数过低（功率因数与输入电流畸变程度成正比）。谐波电流会加剧电网中配电设备（发电机、变压器、线路）的损耗，干扰挂接在负载端其他用电设备的正常工作，还会造成电磁干扰；而功率因数过低会造成设备容量浪费、配电设备传输损耗加剧等影响。PFC（功率因数校正，Power Factor Correction）正是对负载改善其功率因数的一种手段。

PFC的实现思路有很多。本教程介绍应用于单相Boost电路在连续导通模式（CCM）下运行的PFC技术，其核心思路是通过控制电路中的开关管控制电感电流，使电感电流跟踪不可控整流后的“馒头波”电压指令，从而使输入电流呈正弦波形并与输入电压同相，校正了输入电流波形畸变程度和相位，达到改善功率因数的目的。

上图是PFC技术的实现框图。电路部分从左往右依次是：输入电压源，不可控整流桥，整流桥电压、电感电流采样，Boost电路，负载；控制部分包括为控制电感电流搭建的电流控制器，为稳定输出电压搭建的电压控制器，以及开关管驱动。

工作原理如下：电压闭环控制用于稳定输出电压，电压控制器产生控制指令（电压控制器的输出称为电压控制指令）；而为了电感电流跟踪整流桥输出的“馒头波”波形（这样输入电流能够成为正弦波并与输入电压同相位），添加电流闭环来控制电感电流；将电压控制指令与整流桥输出电压采样相乘，形成“馒头波”式的控制指令，作为电流控制器的参考给定值；电流控制器输出的控制指令就是开关管的占空比，经开关管驱动控制开关管通断，控制电感电流跟踪参考给定值并稳定输出电压。

下图给出了Boost PFC中电流参考值和电感电流的仿真实测波形。控制电感电流跟踪参考给定值，电感电流（橙色）在参考给定值（蓝色）的附近上下环绕，电感电流近似为“馒头波”。

下图给出了应用PFC后电源电压和电流的仿真实测波形。经过PFC控制，输入电流（橙色）呈毛刺状正弦波，且与输入电压（蓝色）基本同相位，达到了功率因数校正的目的。

使用FFT工具分析运用PFC技术的输入电流波形，可以观察到THD大大减小。

接下来整定Boost PFC电路的硬件参数，电路部分主要包括电感、电容，以及变换器的一些参数。

电源的技术指标如下：

输入电压（ $U_{i}$ ）：交流120V；

输入电压频率（ $f_{i}$ ）：60Hz；

输出电压（ $U_{o}$ ）：直流400V；

输出功率（ $P_{o}$ ）：1000W；

开关频率（ $f_{s}$ ）：50kHz；

电感电流纹波（ $k_{i_{L}}$ ）：8%；

输出保持电压（ $U_{o\textup{min}}$ ）：300V；

输出保持时间（ $t_{\textup{hold}}$ ）：16.6ms；

电容电压纹波（ $\Delta U_{o}$ ）：10V；

Boost变换器效率（ $\eta$ ）：92%；

还有其他与仿真有关的指标见文末的m文件代码。

电感与电容参数计算流程：

计算电感所在支路，即Boost电路的输入端，通过的最大峰值电流 $I_{\textup{pk}}=\frac{2 P_{o} }{\eta\cdot \sqrt{2}U_{i}}$
电感电流纹波 $\Delta I_{L}=k_{i_{L}}\cdot I_{\textup{pk}}$
当Boost电路输入电流达到最大峰值电流 $I_{\textup{pk}}$ 时占空比 $D=\frac{U_{o}-\sqrt{2}U_{i}}{U_{o}}$
电感取值 $L=\frac{\sqrt{2}U_{i}D}{f_{s}\cdot \Delta I_{L}}$
电容取值 $C=\frac{2P_{o}t_{\textup{hold}}}{U_{o}^{2}-U_{o\textup{min}}^{2}}$ ，在范例中采用这一公式： $C=\textup{max}\left \{\frac{2P_{o}t_{\textup{hold}}}{U_{o}^{2}-U_{o\textup{min}}^{2}}, \frac{P_{o}}{2\pi f_{i}\cdot \Delta U_{o}\cdot U_{o}}\right \}$

实际设计电路还要考虑功率器件的电压、电流应力等对器件选型，由于仿真采用理想器件，这里不再详细设计。

提前编写m文件，在运行仿真前需要先运行m文件，仿真中模块参数采用变量参数，这样方便电源的技术指标变化时修改指标快速整定参数。


%% Power Factor Correction (PFC) Continuous Conduction Mode Boost Converter
%
% Copyright 2018 The MathWorks, Inc.
clc;
clear all;
%% 设计指标参数                         
Line_Voltage_Peak   = 120*sqrt(2);                  %  交流输入电压峰值 [V]
f_line              = 60;                           %  输入电源频率 [Hz]
Voref               = 400;                          %  输出电压给定参考值 [V]
Power               = 1e3;                          %  最大稳态输出功率 [W]
R                   = 200;                          %  电阻负载阻值 [Ohms]
del_V               = 10;                           %  输出电压纹波峰峰值 [V]
IndCurrRipple       = 8;                            %  电感电流纹波比例 [%]
Conv_efficiency     = 92;                           %  Boost变换器额定效率 [%]
f_sw                = 50e3;                         %  开关频率 [Hz] 
Ts                  = 1/(100*f_sw);                 %  电路采样时间 [sec]
Tsc                 = 1/(50*f_sw);                  %  控制器采样时间 [sec]
t_holdup            = 16.6e-3;                      %  输出保持电压（340V）的保持时间 [sec]
 
%% 变换器参数
 
Duty = (Voref-Line_Voltage_Peak)/Voref;             % 占空比计算
I_in_peakmax = 2*(Power/(Conv_efficiency*0.01))/Line_Voltage_Peak;
                                                    % 输入电流峰值
%% 电感参数计算
 
del_I = (IndCurrRipple/100)*I_in_peakmax;           % 电感电流纹波
L = (Line_Voltage_Peak*Duty)/(f_sw*del_I);          % 电感值
 
%% 电容参数计算
 
C = max((2*Power*t_holdup)/((Voref)^2-340^2),Power/(2*pi*f_line*del_V*Voref));
                                                    % 电容值

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