APFC的基本原理APFC的核心思想是让输入电流波形主动跟随电压波形。最常见的实现方式是采用Boost升压拓扑结构。未加APFC时的输入电流特征当一个电路没有APFC时典型的输入电流波形如下图所示从上图可以看出当市电电压瞬时值高于母线电压时整流二极管导通市电向母线电容充电。因此在每个正弦波峰值附近市电电流会出现一个持续时间短但峰值高的窄脉冲其余时间电流几乎为零。这种电流波形具有以下特征峰值高电容充电特性导致电流瞬间很大导通角小二极管仅在电压峰值附近导通谐波丰富包含大量高次谐波分量这种未经过调节的电流波形PF值低通常仅0.5-0.6THD高可超过100%对电网环境和设备有严重危害。Boost型APFC的工作原理为了改善上述问题在整流器后级串接Boost电路如下图所示利用Boost电路的电感储能特性和开关管的PWM调节可以实现电流连续化通过高频开关使输入电流在整个工频周期内连续波形正弦化控制电感电流的包络线跟随电压波形呈正弦变化升压作用Boost电路将母线电压提升至高于输入电压峰值通常380V-400V消除死区APFC的控制环路设计本文介绍的APFC控制环路采用电压外环、电流内环的串级控制方式同时叠加输入电压前馈控制框图如下各环节功能说明控制环节作用实现方式电压外环稳定母线电压在设定值PI/1P1Z补偿器输出为电流幅值指令乘法器生成正弦电流参考电压外环输出 × 整流后电压波形输入电压前馈提高动态响应将输入电压形状直接叠加到电流指令电流内环跟踪正弦电流参考PR控制器对基波增益高下图是在GeckoCircuits中模拟的APFC控制环路实现关键设计要点电压外环使用数字1P1Z补偿器详见我的另一篇随笔《在 GeckoCIRCUITS 上开发新工具模块的方法》它能有效跟踪直流信号电流内环采用PR控制器对工频正弦信号具有高增益可实现对交流指令的无静差跟踪输入电压前馈将整流后的正弦半波电压直接引入电流指令其作用包括减轻电流环的跟踪负担提高系统动态响应速度改善输入电流波形质量电路结构与驱动策略本文仿真采用的电路是无桥Boost PFC拓扑Bridgeless Boost PFC其电路结构及工作过程如下图所示无桥Boost PFC的工作特点省去了传统整流桥利用开关管体二极管实现整流功能导通损耗降低电流路径上仅经过2个半导体器件传统拓扑需3个驱动策略特殊需要根据输入电压极性切换控制逻辑驱动信号分配原则正半周IGBT.2高频PWM开关控制电感储能与释能IGBT.1保持常通作为电流回路路径负半周IGBT.1高频PWM开关IGBT.2保持常通这种驱动策略确保了无论输入电压极性如何Boost电路都能正常工作且电流波形保持正弦。运行仿真仿真波形如下图在PFC启动前期母线电压未进入稳定状态且低于市电电压峰值电流波形呈现出窄导通角的特征。母线电压升起来并稳定之后电流波形呈现正弦曲线。