无桥Boost PFC在UPS中的应用研究

1  引言
    不间断电源在主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它电力电子设备提供不间断的电力供应，应用场合和领域都很广泛。传统UPS电源输入侧直接接在电网上，电网通过不控整流后作为直流电给UPS提供电能。二极管不控整流没有对网侧电流进行控制，会使网侧输入电流谐波含量相当高。所以这种结构的UPS电源在工作时的网侧功率因数很低，这样就对电网造成了谐波污染。在提倡清洁使用能源的今天，这样的装置显然不符合绿色能源的要求。功率因数校正就是针对功率因数低的电力电子装置，通过控制电压电流相位关系，提高电力电子装置工作时的功率因数。本文采用无桥Boost PFC拓扑结构，将其应用在UPS领域，提高UPS的功率因数，达到清洁使用能源的目的[1]。

2  无桥Boost PFC电路的工作原理

图1  无桥Boost PFC电路拓扑：(a).Boost  PFC的电路构；(b).开关管导通时的等效电路；(c).开关管关断时的等效电路

    无桥Boost PFC电路拓扑如图1所示。其中(b)和(c)分别为开关管导通和关断时的等效电路。这里做如下定义：               
    交流输入电压  uac=UMsinωt 
    交流输入电流  iac  
    整流输出电压  Ud=UM|sinωt|
    输出侧电压    Udc  
    电感两端电压  UL 
    流过电感电流   iL
    开关管导通时，电感L两端的电压ULon=Ud= UM|sinωt|>0，，此时电感电流增大，电感储能；开关管关断时电感L两端的电压ULoff=Ud-Udc,因为电路拓扑为升压电路，所以Ud                                       (1)
将ULon=UM|sinωt|和ULoff=UM|sinωt|-Udc带入公式(1),可以求出占空比
                                             (2)
    从而可以知道，为保证电感电流连续，减小输入电流谐波含量，占空比D应按照网侧电压按正弦变化[2]。
电感电流iL= |iac|，如果给定一正弦电流信号i,使电感电流在开关管开关状态更迭中跟踪给定电流信号，那么当载波频率远大于正弦波频率时，电感电流iL也将按正弦规律变化。如果给定的正弦电流信号的相位和网侧电压一致，那么在每一个半波种电感电流iL将按网侧电压相位变化，则网侧电流相位将与网侧电压相位一致。
电路控制必须实现以下两个要求：
(1) 实现输出直流电压Ud的闭环调节；
(2) 实现网侧电流跟踪网侧电压相位，保证网侧电流的正弦化[3]。

图2.Boost PFC的双闭环控制框图

3  Boost PFC电路的双闭环控制
    上节提到了要实现对电路的PFC功能，必须对电路进行电压和电流的同时控制，所以采用电压电流双闭环控制策略。电压外环实现直流输出的稳定，电压外环的输出作为电流内环的给定，实现输出稳压的同时对网侧电流按照网侧电压进行相位控制，实现网侧电流的正弦化[3]。
    如图2所示，从输出侧采样输出电压，通过给定电压Udc*与输出电压Udc的比较，其比较的差值与整流输出后的半波电压Ud分别作为乘法器的输入，这样乘法器的输出与输出误差信号成比例，相位与整理后的半波信号相同，乘法器输出作为电流内环比较器的给定。采样流过电感的电流，即为交流输入电流的绝对值，电感电流作为电流内环比较器的另外一个输入，与乘法器输出进行比较，两者的误差信号作为调制波，与载波三角波进行比较产生PWM开关信号，控制开关管的开通与关断。
    通过以上的双闭环控制策略，电压外环可以稳定直流输出电压，电流内环通过跟踪半波信号，实现电感电流的正弦化，相位与电压半波信号一致，从而达到了稳定输出电压和交流输入电流的正弦化和相位跟踪，网侧电压电流同相位，实现功率因数校正。

4  仿真和实验
    通过对Boost PFC电路原理和Boost PFC电路的双闭环控制策略进行了分析后，对电路进行了Matlab/simulink的仿真，搭建了双闭环控制的仿真模型，并且搭建了Boost PFC电路应用在UPS逆变电源中的仿真模型[5]。

图3  Boost PFC电路的仿真模型

    输入交流电压有效值Uac=60V，输出电压为Udc=150V，负载电阻为30Ω。

图4 直流输出电压波形：(a)直流电压波形；
   (b)稳态的直流电压波形

    由图4(a)可以看到，直流输出电压稳定在给定值150V，动态响应较快，由于Boost直流输入电压为馒头波，所以直流输出稳态电压有2倍工频的波动，这在图4(b)可以看出。

图5 网侧电压电流信号

    网侧输入电压电流信号如图5所示。可以看出，交流输入电压电流信号同相位，输入电流正弦度很好。由图5可以看到，Boost PFC达到了功率因数校正的作用。

图6  Boost PFC在UPS中应用的仿真

图7  应用在UPS中的Boost PFC的网侧电压电流波形

图8  UPS输出电压波形

    Boost PFC输入交流电压有效值Uac=60V，输出电压为Udc=150V，UPS交流输出电压有效值Uout_put=48V。
可以看到UPS交流输出电压峰值稳定在48V，输出电压波形正弦度很好。Boost PFC输入电压电流波形无相位差，电流正弦度很好，谐波含量少，应用在UPS电源中的Boost PFC电路达到了功率因数校正的作用。
    在仿真的基础上，前级PFC电路以UC3854为控制芯片，后级逆变单元采用微芯公司的dsPIC30F4011单片机为控制芯片，搭建了加入PFC电路的UPS的硬件平台，进行实验研究。实验参数与仿真参数一致，得到输入侧电压电流波形如图9所示，输出电压电流波形如图10所示。

图9 输入电压电流波形

图10 输出电压电流波形

5  结论
    本文通过Matlab/simulink搭建的Boost PFC模型和加入Boost PFC的逆变器的模型，对PFC电路进行了仿真，在仿真的基础上，以dsPIC30F4011为控制芯片，进行了实验验证，仿真和实验结果验证了本文提出的想法的正确性和可行性。

参考文献
[1] 杨潮晖．Boost-PFC电路拓扑和数字控制的研究[D]．哈尔滨工业大学硕士学位论文，2010,1-6．
      Yang chaohui．Study on Boost PFC topology and control strategy. Dissertation for the Master Degree of Harbin Institute of Technology,2010,1-6.
[2] 连攀．带输入功率因数校正的可调式脉冲功率电源的研究[D]．哈尔滨工业大学硕士学位论文，2006，12-14．
       Lian pan. Research on the adjustable pulsed power supply with inputpower factor correction. Dissertation for the Master Degree of Harbin Institute of Technology,2006,12-14.
[3] 刘永光．无桥Boost PFC技术的研究[D]．哈尔滨工业大学硕士学位论文，2007,20-23.Liu yongguang. Research of bridgeless boost PFC technology. Dissertation for the Master Degree of Harbin Institute of Technology,2007,20-23.
[4] 杨光，许维胜，余有灵，等．功率因数校正电路的建模与仿真[J]．系统仿真技术，2005,1(3),153-157．Yang guang, Xu weisheng, Yu youling, at al. The model and simulation of PFC[J].System simulation technology,2005,1(3),153-157.
[5] 李建荣，吕志香，钱松，等．BOOST型功率因数校正器_PFC_在UPS中的应用[J]．理论研究，2009,78-80．Li jianrong, Lv zhixiang, Qian song, at al. Boost PFC application in UPS[J]. Theory and Research,2009,78-80.

作者简介
 李贺龙 ，1987年出生，男 ，硕士研究生， 哈尔滨工业大学电气工程及其自动化学院电气工程系 ，研究方向为逆变器和变频器。 ■