减小航空电源中输入电流谐波的方法

引言

由于电力电子装置在工业及民用中不断普及，给电网造成了严重的谐波污染，因此功率因数校正技术(Power Factor Correction，PFC)越来越受到人们的关注。单相升压型PFC变换器由于其高功率因数、高效率得到了广泛的应用，但是在输入电压过零附近，输入电流会发生畸变。随着输入频率增加时，尤其是航空电网频率在360 Hz一800 Hz时，畸变会变得更加严重，各次谐波很难满足航空系统提出的RTCADO一160D标准，现存的PFC设计技术在航空电源的应用中受到了局限。

近年来，高性能PFC技术的研究又激发了人们的热情，提出了各种方法和电路拓扑结构来改善输入电流过零畸变，使输入电流谐波满足航空电源系统提出的标准。

随着电网频率增加时，输入电流超前于输入电压的相位会增加，从而使功率因数降低，电流谐波含量增大，提出了抵消超前相位导纳技术(LPAC)来减小过零畸变；当输入电压过零时，输入电流跟踪不上基准电流的相位Φc和输入电流与电压之间的相位差θ是产生过零畸变的根本原因，提出采用多电平技术来减小过零畸变和电流谐波含量；一种改善PFC变换器输入电流过零畸变的方法的资料提出了一种数字控制策略，通过在输人电压过零点时刻检测输入电流值，根据检测到的值实时修正参考输入电压的初相角，直至输入电流与输人电压同相位，从而减小输入电流过零畸变。

本文介绍上述三种方法来改善输入电流过零畸变，从而减小输入电流谐波，重点介绍了LPAC技术来改善过零畸变。通过比较这三种方法，得出电流相位超前补偿技术在工程应用中是最适合的方法，并且基于控制芯片UCC3817，设计制作了一台实验样机，实验结果证明了该方法的可行性。

1 减小输入电流谐波的方法

1．1 三电平技术

当输入电压过零时，输入电流跟踪

不上基准电流的相位Φc，输入电流与电压之间的相位差θ是产生过零畸变的根本原因。为了减小Φc，需要减小L，受电流纹波的限制，必须提高系统的开关频率；为了减小θ，需要减小CZ、CP和L，这样会提高系统的截止频率，系统要保证稳定也需要相应地提高开关频率。三电平技术在不提高开关频率的前提下，等效开关频率提高了2倍，并减小电感到原来的1／4，即LTLBoost=LBoost／4，这样可以有效减小高频输入时的Φc。本文采用三电平变换器作为PFC变换器的拓扑 ，Boost三电平拓扑结构如图1所示。

为了验证该技术的正确性，笔者进行了实验验证，分别制作了一台1 kW Boost TL和Boost PFC变换器原理样机。实验参数：输入交流电压为Uin=115Vac±10%/400—800 Hz；输出电压Uo=200 V；输出电流Io=5A；TLBoost电感为LTLBoost=0.09 mH；Boost电感为LBoost=0.36 mH；TL Boost输出滤波电容Cf1=Cf2=2 400μF；Boost滤波电容Cf= 2400μF；开关频率为.fs=100 kHz。

图2为Boost PFC变换器在输入电压为115 V满载时，输入频率分别是400 Hz和800 Hz时的输人电压和电流波形。采用Boost TL PFC变换器，实验波形如图3所示。从图3可知，TL PFC变换器明显改善了输入电流的波形，电流谐波含量减小了。

1．2 数字控制技术

针对Boost PFC变换器输入电流过零畸变的原因，网络资料一种改善PFC变换器输入电流过零畸变的方法中提出了数字控制策略(如图4所示)，来改善PFC输入电流过零畸变。通过在输入电压过零点检测输入电流值，根据所检测到的电流值来实时修正参考输入电压Ug( t)，直到输入电流与输入电压同相位，从而减小输入电流的波形畸变。通过编程实现对参考输人电压信号相位的控制，而不需要对主电路做任何改动。

本文应用MATLAB的Simulink和Power-system Block工具箱对前文设计的回路与控制回路进行了仿真。输入交流频率为400 Hz时，Boost PFC变换器的输入电流波形和谐波分析如图5所示，由图5(a)、(b)可以看出，在输入交流频率为400 Hz时，所提出的数字控制方法大大改善了输入电流过零畸变，输入电流谐波由8.74%降至3.97%，有效地减小了输入电流谐波。

1．3 抵消超前相位导纳技术(LPAC)

Boost PFC变换器输入电流过零畸变是由输入电流相位超前于输入电压引起的，并且输入电流相位超前是由于Y1(s)的存在，如果再并联一个导纳Y3(s)，(如图6所示)使其等于-Y1(s)，那么Y(s)=Y2(s)，输入电流与输入电压就同相位。

为了抵消Y1(s)，在误差信号ieer处从输入端引入一个新的传递函数Hc(s)，如图7所示。

该方法的优势是可以利用现有的误差放大器来实现LPAC技术。则

带LPAC技术的Boost PFC控制系统如图8所示，Hc(s)是补偿网络的一部分，Rc—Cc连接到电流环误差放大器的反相输入端，另一端通过增益hc连接到Ug，则：

由式(2)和(4)得：

Rc—Cc补偿网络可以应用到现有的PFC控制系统，并不需要重新设计。基于UCC3817控制的Boost PFC变换器与Rc—Cc补偿网络相连接的电路结构如图9所示，与图8所示电路相比较，需要加一个反相器，把ug信号连接到Rc—Cc电路。

从上述理论分析知，LPAC技术能完全消除输入过零畸变，并且硬件实现电路也很简单，在文中的第3节进行实验验证该方法的可行性。

2 三种方法的比较

上节分析了三种方法来改善输入电流过零畸变。通过上述的分析知：三电平技术在消除过零畸变，取得了一定的效果，但是电路结构比较复杂，并且需要对两个输出电容进行均压，控制较复杂，电路整个成本会增加，在工程应用中是不适合的；数字控制技术在仿真分析上是可以减小输入电流谐波，但是在硬件电路上实现也会很复杂，而且要大大增加电路的成本，同样在工程应用中是不适合的；对于LPAC技术来说，只要增加两个无源器件和一个反向器，就可以直接应用到现有的PFC控制系统，并不需要重新设计，第3节的实验验证了该方法的可行性，该方法可以应用到实际工程中。

3 采用LPAC技术的实验结果

基于控制芯片UCC3817，设计并制作了一台输出100 W 的实验样机，主电路结构如图9所示。实验主要参数为：

实验波形如图10所示。图中，Ch1：输入电流波形(0．5A／div)；Ch2：输入电压波形(50 V／div)。由图10(a)可以看出，未加LPAC补偿时，输入电流畸变非常明显；由图10(b)可以看出，加LPAC补偿后，输入电流畸变明显消失。由测得的实验数据表明，加LPAC补偿网络前后，变换器在满载时，输入电流谐波含量THD分别为6.5%，2.2%，补偿后的输入电流谐波含量能满足航空电源谐波标准。

4 结论

介绍了三种方法来改善输入电流过零畸变和减小输入电流谐波含量，重点介绍了LPAC技术来改善过零畸变。通过比较这三种方法，得出电流相位超前补偿技术在工程应用中是最适合的方法，并且基于控制芯片UCC3817，采用LPAC技术，设计并制作了一台实验样机。在输入电压频率为400Hz时，实验结果表明，LPAC技术能明显减小过零畸变，输入电流谐波含量能满足航空电源谐波标准，证明了该方法的可行性。