基于BUCK-BOOST变换器的通信电源功率因数校正及其仿真分析

摘要：本文详细分析了用BUCK-BOOST实现电路功率因数校正的原理和变换过程，并给出了BUCK-BOOST电路的Matlab仿真分析的模型。通过对变换器工作在DCM模式下的电路仿真，验证了此方法的良好效果。
关键词：功率因数校正；BUCK-BOOST；变换器
　

引言

目前，电力通信系统中正大量采用直流开关电源。但是没有进行过功率因数校正的开关电源对电力网造成了输入侧波型畸变、功率因数降低等问题。所以使用带功率因数校正的开关电源对于电力网的谐波治理和提高供电质量有很重要的意义。

传统的整流装置使用电桥整流，用大的电容进行滤波，使得交流侧输入电流为一尖峰电流，这是使交流侧输入功率因数降低的主要原因(如图1所示)。因此改变电路结构以使输入侧电流跟随输入电压变化，就可以改善功率因数。现在PFC(Power Factor Correction)的应用已经很成熟。一般采用前级为PFC主电路，利用DC/DC变换器实现电压变换。本文针对前级电路很少用到的BUCK-BOOST变换器的MATLAB仿真工具进行了分析，并给出了仿真模型。


BUCK-BOOST变换器实现APFC的原理

BUCK-BOOST变换器是升降压型电路，它使得输入端电压不必低于V_c，同时易于实现反激变换(flybackconverter)。电路工作于DCM模式，这样可以获得高功率因数和稳定快速的调节输出。电路图如图2所示，假设负载为一电阻R_load，S为开关。BUCK-BOOST变换器有两种工作状态，如图3所示。

图3　BUCK-BOOST变换器有两种工作状态：(a)状态1；(b)状态2

(1)开关S导通，电源加到L上，负载由C供电。L上电压为V_g，L上的电流线性增加。
(2)开关S断开，电感上的能量向R_load释放，电感电流减小到0，电感上的电压为V_dc。
设工频交流电压为
V_in(t)=V_psin(ωt) (1)
式中V_p为交流电压幅值，ω为输入工频交流电压的角频率。当S导通时有V_in/L=Δ_i/D₁T`_s，D₁为开关导通比，T_s为开关周期，如图4所示。

图4　S导通时关系图
当电路工作在DCM模式时Δ_i=i_p，为电流峰值。于是有

由此可以看出， i_p∝V_psin(ωt)。因此电感上的电流跟随输入电压，功率因数得到校正。

仿真模型及分析结果

Matlab是美国MathWorks公司推出的一种使用简便的工程计算语言。而作为Matlab重要组成部分的Simulink已经成为在动态系统建模和仿真方面应用最广泛的软件包之一。产生PWM波的Matlab仿真模型产生PWM波的Matlab仿真模型如图5所示。

图5　产生PWM波的Matlab仿真模型
其中，ref为参考比较电压，Signal-Generator为三角波发生器，Scope显示了PWM调制输出。因而检测输出电压就可改变开关管控制脉冲的占空比。仿真波形如图6所示。

图6　仿真波形

BUCK-BOOST闭环控制电路仿真BUCK-BOOST闭环控制电路的Matlab模型如图7所示。图中AV为交流输入，电压幅值为380V;Switch为理想开关，恒频工作，频率为1kHz;PWMGen为PWM发生器，产生脉冲宽度可调的PWM脉冲;Gain1和积分器组成为比较积分环节。

图7　BUCK-BOOST闭环控制电路的Matlab模型

设输出控制在200V，inport4显示了输出电压波形，inport4显示了输入电流的波形，如图8所示。从图8中我们可以看到，输入电流近似为一正弦波(单位为mA)，输出电压稳定在200V，同时使得输出纹波很小，如果再加入输入LC滤波，功率因数为0.95以上。

图8　输出电压与输入电流的波形

结束语

本文分析了BUCK-BOOST电路实现功率因数校正的原理，给出了DCM电流仿真分析的模型和仿真分析结果，验证了理论推导。证明了BUCK-BOOST电路是实现功率因数校正的一种较好的方法。