低压电器（２０１２Ｎｏ．２） ・电能质量・ 基于ＰＳｐｉｃｅ的单相功率因数校正 电路的行为建模与仿真术 陈果，徐平凡，梅妮 （中山职业技术学院电子系，广东中山 ５２８４０４） 摘要：介绍了带输入前馈的平均电流模式控制单相功率因数校正（ＰＦＣ）变换器 陈 果（１９８２一）， 男，讲师，工程师， 研究方向为开关电 源的建模与仿真。 的工作原理。利用ＰＳｐｉｃｅ模拟行为建模功能和Ｂｏｏｓｔ主电路开关电感模型相结合，建 立了平均电流模式控制单相ＰＦＣ电路的仿真模型。通过对开关器件的等效平均，简化 了ＰＦＣ电路的分析与建模，大大缩短了仿真时间。利用仿真模型，可以分析电路的频 域及时域特性。最后，利用ＵＣ３８５４芯片搭建了试验电路。试验结果证明了建模方法 的正确性。 关键词：功率因数校正；建模与仿真；开关电感模型；模拟行为建模 中图分类号：ＴＭ ４６４：ＴＭ ７１４．３文献标志码：Ａ文章编号：１００１—５５３１（２０１２）０２— ００４２．．０５ Ｂｅｈａｖｉｏｒａｌ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ Ｓｉｎｇｌｅ Ｐｈａｓｅ Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＳｐｉｃｅ ＣＨＥＮ Ｇｕｏ，ＸＵ Ｐｉｎｇｆａｎ，ＭＥＩ Ｎｉ （Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｏｎｇｓｈａｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｚｈｏｎｇｓｈａｎ ５２８４０４，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆ ａｖｅｒａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ—ｍｏｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ（ＡＣＣ）Ｂｏｏｓｔ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ＰＦＣ）ｗａｓ ｉｎ— ｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＰＳｐｉｃｅ ａｎａｌｏｇｙ ｂｅｈａｖｉｏｒａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ（ＡＢＭ）ａｎｄ ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｉｎｄｕｃｔｏｒ ｍｏｄｅｌ ｔｏ ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅ ｔｈｅ ＡＣＣ ｓｉｎｇｌｅ ｐｈａｓｅ ＰＦＣ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ａｖｅｒａｇｅｄ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｍｏｄｅｌ，ｔｈｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ—ｄｏ— ｍａｉｎ ａｎｄ ｔｉｍｅ—ｄｏｍａｉｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＡＣＣ ＰＦＣ ｗｅｒｅ ｓｉｍｐｌｉｆｉｅｄ ａｎｄ ｗｉｔｈ ｌｅｓｓ ｔｉｍｅ．Ｔｈｅ ｍｏｄｅｌｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｉｓ ｖｅｒｉ— ｌｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｉｆｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ ｒｅｓｕｌｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ＵＣ３８５４． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ＰＦＣ）；ｍｏｄｅｌ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｗｉｔｃｈｅｄ ｉｎｄｕｃｔｏｒ ｍｏｄｅｌ；ａｎａｌｏｇｙ ｂｅｈａｖｉｏｒａｌ ｍｏｄｅｌｉｎｇ（ＡＢＭ） ０ 引 言 ＰＳｐｉｃｅ作为一种通用电子电路仿真软件，在 电力电子电路的分析和设计中得到了广泛的应 析，ＰＳｐｉｃｅ中现有的一些器件同样不能胜任¨ 。 为此，可以利用ＰＳｐｉｃｅ软件自带的模拟行为建模 （Ａｎａｌｏｇ Ｂｅｈａｖｉｏｒａｌ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ＡＢＭ）功能，对于一 些器件或系统，忽略其内部参数和电路结构，仅使 用一些数学表达式或表格来建立等效模型，实现 对系统的输入／输出特性分析 Ｊ。本文以带输入 前馈的平均电流模式控制单相ＰＦＣ电路为例，分 析了ＡＢＭ的一般方法和步骤，并利用该模型分析 了电路的频域及时域特性。试验结果证明了 ＡＢＭ建模方法的正确性。 用。但是，由于功率因数校正（Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅ— ｃｔｉｏｎ，ＰＦＣ）电路具有非线性时变的特点，开关频 率较高，采用双环控制结构，传统的基于详细开关 器件的仿真技术仿真时问会很长，而且难于收敛； 此外，对于参数不很明确的原理性模型的仿真分 徐平凡（１９８３一），男，讲师，研究方向为电力电子装置与系统。 梅妮（１９８０一），女，讲师，研究方向为电气自动化技术。 基金项目：中山市科技项目资助（２０１０３Ａ２５７） ４２— ・电能质量・ １ ＰＦＣ电．路简介 带输入前馈连续工作模式的平均电流控制 Ｂｏｏｓｔ ＰＦＣ电路原理图，如图１所示 。实际电路 参数计算可以参考控制芯片ＵＣ３８５４的设计资 料 。主电路由单相桥式整流器、Ｂｏｏｓｔ变换器组 成。控制电路包括电压环补偿器Ｇ 及基准电压 、电流环补偿器Ｇ 、乘／除法器、脉宽调制电路 和驱动电阻组成。图１中，乘／除法器的输出 作为电流反馈控制的基准信号，与检测信号／／， （平均电感电流在采样电阻上的压降）相比较，输 出的误差信号ｕ 经补偿器Ｇ 和ＰＷＭ电路后驱 动开关管的通断，从而使整流输入电流（即电感 电流） 跟踪整流电压 ｉ的波形，实现ＰＦＣ功能。 输入电压的峰值采样作为前馈信号输入到乘／除 法器，以保证在输入电压扰动时输出功率的稳定。 如果采用传统的仿真方法，需要提供ＵＣ３８５４芯 片的仿真库文件。但一些通用的电路仿真软件 （如ＰＳｐｉｅｅ、Ｓａｂｅｒ），往往不能提供专业电源芯片 模型，这就给仿真带来了困难。为此，本文给出了 一种利用ＰＳｐｉｃｅ软件的ＡＢＭ元件库搭建简化芯 片仿真模型的方法。 图ｌ ＰＦＣ电路原理图 ２ ＡＢＭ建模的一般方法和步骤 ２．１主功率电路的模型 由于变换器都是工作于高频状态，利用 ＰＳｐｉｃｅ软件进行瞬态分析时，在每一个开关时刻 都要进行一次电路状态方程的求解，故仿真需要 很长的时间。本文采用了开关电感模型 对主 功率电路平均建模。该方法的基本思想是，在电 低压电器（２０１２Ｎｏ．２） 路开关周期小于电路时问常数的条件下，利用平 均化等效电路模型代替变换器中的开关器件，使 仿真过程避免了在每一个开关时刻求解电路状态 方程，从而提高了仿真速度。 由文献［５］可知，对于图２（ａ）虚线所示Ｂｏｏｓｔ 电路中的开关集合，可以用图２（ｂ）的平均等效受 控源电路替代。 （ａ）Ｂｏｏｓｔ电器 （ｂ）平均等效受控源 图２开关集合的等效受控源电路 其中 Ｇ ＝ＩＬ （１） ［ＬＤＧｂ＝ ｏｎ （２） Ｇ ＝ ㈩ ＥＬ＝Ｕ（ａ，ｂ）Ｄ。 十Ｕ（ａ，ｃ）Ｄ。 （４） 式中Ｇ 、Ｇ 、Ｇ ——受控电流源的值 Ｅ ——受控电压源的值 ——电感上的电流平均值 Ｄ。 ——开关管导通占空比 Ｄ。 ——二极管导通占空比 当电路工作在连续导电模式时，有Ｄ。 ＋ Ｄ。 ：１；当电路工作在不连续导电模式时，有 Ｄ。 ＋Ｄ。 ＜１；Ｕ（ａ，ｂ）和Ｕ（ａ，ｃ）分别是ａ、ｂ和ａ、 ｃ之间的平均电压。 由开关集合电路的基本关系式（１）～（４），利 用ＰＳｐｉｃｅ ＡＢＭ元件库中的数学表达式模块 Ｅ ＡＬＵ 和Ｇ ＡＬＵ ，可以建立Ｂｏｏｓｔ主电路等效行为 模型，如图３所示。 ２．２ ＰＷＭ电路的行为模型 对于最简单的ＰＷＭ电路，锯齿波一周期的 起点决定开关管的导通时刻，电流误差放大器输 出误差信号Ｕ 与锯齿波的斜坡交点决定开关管 的截止时刻，如图４所示。 和 是锯齿波的 峰值和谷值（对于ＵＣ３８５４芯片，可取为１．１和 ６．５）。根据文献［４—５］，有 ４３— 低压电器（２０１２Ｎｏ．２） ・电能质量・ 一Ｇａ ，．｝１ ＝ ｕｔ ［ 负载 ５Ｏｎ 图３ Ｂｏｏｓｔ主电路等效行为模型 （％ＩＮ＋，％ＩＮ一）］，表示输出电压为采样电压Ｕ 和参考电压 耐（取７．５ Ｖ）差值的１ ０００倍。合理 设计补偿电路的参数后，输出的电压误差信号Ｕ 即为乘／除法器的一个输入信号。电流误差放大 器的行为模型可以采用和电压误差放大器相同的 图４ ＰＷＭ电路原理图 建模方法。 ２．４乘／除法器模型 Ｄｏｎ＝ ㈩ 乘／除法器的输出是由正弦半波形状的基准电 流作为电流内环的参考信号，如图５所示。可以采 用受控电流源来表示，并且输人／输出关系 有 ，…＝Ｉａ （Ｕ… 一１）／ （７） 。。 ＝＝ｎｎｉｒ ｛ｃ ——。。 ，（ 式中． ——开关频率 Ｄ ——开关管导通占空比 ，Ｊ ——二极管导通占空比 ——。。 ）） （６） 式中［ｃａｐ——输出的参考电流 电压误差放大器的输出电压 前馈电压 ， ——整流输入电压的电流采样 ａｒｉｎ函数是取表达式（１一Ｄ ）和 （揣一Ｄｏｎ）的最小值，实现连续模式和 图５乘／除法器的行为模型 不连续模式的占空比自动切换。 为了建模的方便，在行为模型中可以用数值 相等的电压源来代替占空比（如７０％的占空比等 效为０．７ Ｖ的电压源）。另外，为了与实际电路一 ３模型仿真分析 利用上述方法和ＵＣ３８５４的电路参数，建立 了带输入前馈的平均电流模式控制Ｂｏｏｓｔ ＰＦＣ电 路的等效行为模型，如图６所示。其主要电气参 数为：输出电压Ｕｏ ＝３９０ Ｖ；输入电压Ｕ。 ＝８０～ ２７０ Ｖ；开关频率． ＝１００ ｋＨｚ；电感Ｌ＝１ ｍＨ；电压 环交越频率为１Ｏ Ｈｚ，相位裕量６０。；电流环交越频 致，还需要限制占空比的输出范围，此处的占空比 设为８％～９９％。由式（５）、式（６）并利用ＰＳｐｉｃｅ ＡＢＭ元件库中的表格模块，可以建立ＰＷＭ电路 等效行为模型。 ２．３ 电压误差放大器的行为模型 在精度要求不高的情况下，误差放大器可以 用增益倍数很高的受控电压源来等效。ＰＳｐｉｃｅ ＡＢＭ元件库中表达式模块的属性设置为［１ ０００ ——率为１０ ｋＨｚ。仿真使用的电脑ＣＰＵ为赛扬２．４ Ｇ， ４４—— ・电能质量・ 放大器ＰＷＭ电路 电压误差 放大器 图６ ＰＦＣ电路的等效行为模型 内存为２５６ Ｍ；仿真软件采用Ｏｒｃａｄ ＰＳｐｉｃｅ ９．２。 利用该仿真模型对系统进行了时域和频域分析， 仿真结果如图７所示。由图７可见，电路仿真的 时间大大减少，从原来的一个多小时缩短为几分 钟，大大提高了仿真的效率。 输入电压为交流１１０ Ｖ时，输入电流的波形 如图７（ａ）所示。利用ＰＳｐｉｃｅ的傅里叶分析功能 对输入电压和输人电流仿真波形进行分析，结果 表明，设计电路实现了ＰＦＣ功能，输入电流跟随 输入电压，近似为正弦波。负载由满载切换到半 载（５００ ｍｓ时）后的输出电压 ｏＵ 波形如图７（ｂ） 所示，输出电压经过３８ ｍｓ后达到稳态。由于负 载电流变小，输出电压由３９０ Ｖ上升到３９８ Ｖ，略 有上升，因此，系统具有较好的稳定性。输入电压 ， 由２２０ Ｖ突变到１１０ Ｖ（３１０ ｍｓ时）后的输出 电压波形如图７（ｃ）所示。用游标尺测得，经过 ４５ ｍｓ后输出电压回到了稳态，而且基本上没有 变化。因此，模型实现了输入前馈功能，抑制了输 入扰动对输出的影响。系统的电压环和电流环相 频和幅频曲线如图７（ｄ）、７（ｅ）所示。用游标尺 测得，电压环交越频率为１１ Ｈｚ，相位裕量为５８。； 电流环交越频率为１１．５ ｋＨｚ，故设计符合系统的 稳定性要求，有足够的裕量。 ４ 试验结果 根据仿真得到的电路参数试制了一台样机。 输入电压为１１０ Ｖ时，输入电流波形如图８所示。 输入电压由２２０ Ｖ跳动到１１０ Ｖ时，输入电压、输 入电流和输出电压波形如图９所示。由试验结果 可知，整个系统是稳定的，仿真结果和试验结果基 低压电器（２０１２Ｎｏ．２） （ａ）输入电压和输入电流波形 ２ ｏ 一２ ４１０ Ｏ ４０ｏ ０ Ｓ ３８７ ５ ５６０ ６００ ６４０ ６８０ ７２０ ７８０ ｆ／ｍｓ （ｂ）负载电流突变后的输出电压波形 ４２０ ４１０ Ｓ ４００ ３９０ ３８０ ４００ ２００ Ｓ Ｏ ２５０ ２７０ ２９０ ３１０ ３３０ ３５０ ３７０ ３９０ ４１０ ４３０４５０ ｔ《ｍｓ （ｃ）输入电压突变后的输出电压波形 ５０ －５＿２ ｉ Ｉ２ｏ。 一４００ １００ １０ １０ １００ １ ０ １０ ０ Ｐ（ ＢＡ＿ＯＵＴ）／ ｖａｏｕ０）一１８０ （ｄ）电压环的幅频和相频特性曲线 １ＯＯ ＞ ）０ －１ ０ 之 一２００ 一４００ １０ １００ １ ０ １０ １００ ｌ ０ ０ Ｕ（ＤＯＮ ０ｕＴ）／ Ｄｏｎ））一１８９ （ｅ）电流环的幅频和相频特性曲线 图７仿真波形 ・－－——４５．－－—— 低压电器（２０１２Ｎｏ．２） ・电能质量・ ５ 结 语 本文分析了带输入前馈的平均电流模式控制 单相ＰＦＣ的工作原理，给出了利用ＰＳｐｉｃｅ模拟行 为模块建模的一般方法。利用该方法建立的仿真 模型可以分析系统的时域和频域特性，方法简单、 易行，大大提高了仿真速度。仿真和试验结果都 ＣＨ１ ｌ００Ｖ～ｃＨ２ ５ ００Ｖ～Ｍ １０ ０ｍｓ Ａ Ｃｈｌ，一１４０Ｖ ｜ｍｓ 证明了建模方法的正确性。 图８输入电压和输入电流试验波形 【参考文献】 陈建业．电力电子电路的计算机仿真［Ｍ］．北京：清 １／＼／＼／＼ ２ ｕｌｎ 华大学出版社，２００３． ＼¨¨¨厂、，＼厂、厂、厂、厂、厂、厂、， 郑光钦．全能混合电路仿真ｏｒＣＡＤ Ｐｓｐｉｃｅ Ａ／Ｄ Ｖ９ ［Ｍ］．北京：中国铁道出版社，２０００． ＢＥＮ Ｙ Ｋ，ＺＥＥＶ Ｇ Ｔ．Ａ ｕｎｉｆｉｅｄ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ 《 ３ ， …Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ＼／Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ Ｖ ＾／＼／＼ … ｆ１ ２ ３ ＞ ４ 二 ｔ／ｍｓ １ｊｆｅｅｄｂａｃｋ ｉｎ ｓｗｉｔｃｈ ｍｏｄｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ［Ｊ］．ＩＥＥＥ ＩＳＣＡＳ’ ４ ５ ６ ２ ｌ ｒｌ ｒ１ １Ｊ］Ｊ］ ３ ］１４ ］Ｊ９２，１９９２（４）：１８９１—１８９４． 张占松．蔡宣三．开关电源的原理与设计［Ｍ］．北 京：电子工业出版社，２００４． ＥＲＩＣＫＳＯＮ Ｒ Ｗ．ＭＡＫＳＩＭ０ＶＩＣ Ｄ．Ｆｕｎｄａｍｅｎｔａｌｓ ｏｆ ＣＨ２ ２５０Ｖ～Ｍ ２０ ０ｍｓ Ａ Ｃｈ４ －２ ６０Ａ ＣＨ３ ５ ００Ｖ～ＣＨ４ ３ ００ＡＱ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ［Ｍ］．２ｎｄ ｅｄ．Ｄｏｒｄｒｅｃｈｔ，Ｔｈｅ Ｎｅｔｈ— ｅｒｌａｎｄｓ：Ｋｌｕｗｅｒ，２００１． 刘胜利．现代高频开关电源实用技术［Ｍ］．北京：电 图９输入电压、输出电压、输入电流跳动的试验波形 子工业出版社，２００４． 收稿日期：２０１１—０７—１１ 本吻合。 （上接第３７页） ５ 结 语 本文提出了一种基于ＩＲ１１５０双频Ｂｏｏｓｔ型 （８）：２３—２７． 胡育文，丁志刚，游志青．变压器副边电流箝位ＤＣ／ ＤＣ ＺＶＳ全桥变换器［Ｊ］．中国电机工程学报， ２００３，２３（１２）：１５３—１５９． ＰＦＣ拓扑结构。该拓扑结构的高、低频均由两电 平Ｂｏｏｓｔ单元和ＩＲ１１５０构成。由仿真结果可见， 该变换器不仅输出性能与单个高频ＰＦＣ一致，还 邓焰，叶浩屹，何湘宁．完全的无源软开关功率逆变 器研究［Ｊ］．电工技术学报，２００２，１７（１）：４Ｏ＿４６． 可使低频单元对高频单元分流，从而降低了整个 变换器的开关损耗。该变换器在中、大功率场合 有着很好的应用前景。 张厚升．单周控制无源无损软开关高功率因数整 流器［Ｊ］．电力自动化设备，２０１０，３０（７）：６０—６４． 王占庆．基于单周控制专利技术的ＩＲ１１５０型功率 因数校正控制电路及其应用［Ｊ］．国外电子元器件， ２００６（５）：３９－４２． 【参考文献】 ［１］许春雨，陈国呈，张瑞斌，等．三相软开关逆变器的 ＰＷＭ实现方法［Ｊ］．中国电机工程学报，２００３，２３ 杜雄，周雒维，侯世英，等．一类基本双频ＤＣ／ＤＣ变 换器［Ｊ］．电工技术学报，２００６，２１（５）：２４—２８． 收稿日期：２０１１—０９—０７ ４６． ．——