引言

由于電力電子裝置在工業及民用中不斷普及，給電網造成了嚴重的諧波污染，因此功率因數校正技術(Power Factor Correction，PFC)越來越受到人們的關注。單相升壓型PFC變換器由于其高功率因數、高效率得到了廣泛的應用，但是在輸入電壓過零附近，輸入電流會發生畸變。隨著輸入頻率增加時，尤其是航空電網頻率在360 Hz一800 Hz時，畸變會變得更加嚴重，各次諧波很難滿足航空系統提出的RTCADO一160D標準，現存的PFC設計技術在航空電源的應用中受到了局限。

近年來，高性能PFC技術的研究又激發了人們的熱情，提出了各種方法和電路拓撲結構來改善輸入電流過零畸變，使輸入電流諧波滿足航空電源系統提出的標準。

隨著電網頻率增加時，輸入電流超前于輸入電壓的相位會增加，從而使功率因數降低，電流諧波含量增大，提出了抵消超前相位導納技術(LPAC)來減小過零畸變；當輸入電壓過零時，輸入電流跟蹤不上基準電流的相位Φc和輸入電流與電壓之間的相位差θ是產生過零畸變的根本原因，提出采用多電平技術來減小過零畸變和電流諧波含量；一種改善PFC變換器輸入電流過零畸變的方法的資料提出了一種數字控制策略，通過在輸人電壓過零點時刻檢測輸入電流值，根據檢測到的值實時修正參考輸入電壓的初相角，直至輸入電流與輸人電壓同相位，從而減小輸入電流過零畸變。

本文介紹上述三種方法來改善輸入電流過零畸變，從而減小輸入電流諧波，重點介紹了LPAC技術來改善過零畸變。通過比較這三種方法，得出電流相位超前補償技術在工程應用中是最適合的方法，并且基于控制芯片UCC3817，設計制作了一臺實驗樣機，實驗結果證明了該方法的可行性。

1 減小輸入電流諧波的方法

1．1 三電平技術

當輸入電壓過零時，輸入電流跟蹤

不上基準電流的相位Φc，輸入電流與電壓之間的相位差θ是產生過零畸變的根本原因。為了減小Φc，需要減小L，受電流紋波的限制，必須提高系統的開關頻率；為了減小θ，需要減小CZ、CP和L，這樣會提高系統的截止頻率，系統要保證穩定也需要相應地提高開關頻率。三電平技術在不提高開關頻率的前提下，等效開關頻率提高了2倍，并減小電感到原來的1／4，即LTLBoost=LBoost／4，這樣可以有效減小高頻輸入時的Φc。本文采用三電平變換器作為PFC變換器的拓撲 ，Boost三電平拓撲結構如圖1所示。

為了驗證該技術的正確性，筆者進行了實驗驗證，分別制作了一臺1 kW Boost TL和Boost PFC變換器原理樣機。實驗參數：輸入交流電壓為Uin=115Vac±10%/400—800 Hz；輸出電壓Uo=200 V；輸出電流Io=5A；TLBoost電感為LTLBoost=0.09 mH；Boost電感為LBoost=0.36 mH；TL Boost輸出濾波電容Cf1=Cf2=2 400μF；Boost濾波電容Cf= 2400μF；開關頻率為.fs=100 kHz。

圖2為Boost PFC變換器在輸入電壓為115 V滿載時，輸入頻率分別是400 Hz和800 Hz時的輸人電壓和電流波形。采用Boost TL PFC變換器，實驗波形如圖3所示。從圖3可知，TL PFC變換器明顯改善了輸入電流的波形，電流諧波含量減小了。

1．2 數字控制技術

針對Boost PFC變換器輸入電流過零畸變的原因，網絡資料一種改善PFC變換器輸入電流過零畸變的方法中提出了數字控制策略(如圖4所示)，來改善PFC輸入電流過零畸變。通過在輸入電壓過零點檢測輸入電流值，根據所檢測到的電流值來實時修正參考輸入電壓Ug( t)，直到輸入電流與輸入電壓同相位，從而減小輸入電流的波形畸變。通過編程實現對參考輸人電壓信號相位的控制，而不需要對主電路做任何改動。

本文應用MATLAB的Simulink和Power-system Block工具箱對前文設計的回路與控制回路進行了仿真。輸入交流頻率為400 Hz時，Boost PFC變換器的輸入電流波形和諧波分析如圖5所示，由圖5(a)、(b)可以看出，在輸入交流頻率為400 Hz時，所提出的數字控制方法大大改善了輸入電流過零畸變，輸入電流諧波由8.74%降至3.97%，有效地減小了輸入電流諧波。

1．3 抵消超前相位導納技術(LPAC)

Boost PFC變換器輸入電流過零畸變是由輸入電流相位超前于輸入電壓引起的，并且輸入電流相位超前是由于Y1(s)的存在，如果再并聯一個導納Y3(s)，(如圖6所示)使其等于-Y1(s)，那么Y(s)=Y2(s)，輸入電流與輸入電壓就同相位。

為了抵消Y1(s)，在誤差信號ieer處從輸入端引入一個新的傳遞函數Hc(s)，如圖7所示。

該方法的優勢是可以利用現有的誤差放大器來實現LPAC技術。則

帶LPAC技術的Boost PFC控制系統如圖8所示，Hc(s)是補償網絡的一部分，Rc—Cc連接到電流環誤差放大器的反相輸入端，另一端通過增益hc連接到Ug，則：

由式(2)和(4)得：

Rc—Cc補償網絡可以應用到現有的PFC控制系統，并不需要重新設計。基于UCC3817控制的Boost PFC變換器與Rc—Cc補償網絡相連接的電路結構如圖9所示，與圖8所示電路相比較，需要加一個反相器，把ug信號連接到Rc—Cc電路。

從上述理論分析知，LPAC技術能完全消除輸入過零畸變，并且硬件實現電路也很簡單，在文中的第3節進行實驗驗證該方法的可行性。

2 三種方法的比較

上節分析了三種方法來改善輸入電流過零畸變。通過上述的分析知：三電平技術在消除過零畸變，取得了一定的效果，但是電路結構比較復雜，并且需要對兩個輸出電容進行均壓，控制較復雜，電路整個成本會增加，在工程應用中是不適合的；數字控制技術在仿真分析上是可以減小輸入電流諧波，但是在硬件電路上實現也會很復雜，而且要大大增加電路的成本，同樣在工程應用中是不適合的；對于LPAC技術來說，只要增加兩個無源器件和一個反向器，就可以直接應用到現有的PFC控制系統，并不需要重新設計，第3節的實驗驗證了該方法的可行性，該方法可以應用到實際工程中。

3 采用LPAC技術的實驗結果

基于控制芯片UCC3817，設計并制作了一臺輸出100 W 的實驗樣機，主電路結構如圖9所示。實驗主要參數為：

實驗波形如圖10所示。圖中，Ch1：輸入電流波形(0．5A／div)；Ch2：輸入電壓波形(50 V／div)。由圖10(a)可以看出，未加LPAC補償時，輸入電流畸變非常明顯；由圖10(b)可以看出，加LPAC補償后，輸入電流畸變明顯消失。由測得的實驗數據表明，加LPAC補償網絡前后，變換器在滿載時，輸入電流諧波含量THD分別為6.5%，2.2%，補償后的輸入電流諧波含量能滿足航空電源諧波標準。

4 結論

介紹了三種方法來改善輸入電流過零畸變和減小輸入電流諧波含量，重點介紹了LPAC技術來改善過零畸變。通過比較這三種方法，得出電流相位超前補償技術在工程應用中是最適合的方法，并且基于控制芯片UCC3817，采用LPAC技術，設計并制作了一臺實驗樣機。在輸入電壓頻率為400Hz時，實驗結果表明，LPAC技術能明顯減小過零畸變，輸入電流諧波含量能滿足航空電源諧波標準，證明了該方法的可行性。