双向开关前置的单相升压APFC变换器建模和仿真

10)、(11) 两式中除了、外都为线性项，而且这两乘积项远小于其它项，若将它们略去，不会给分析引入太大误差，则线性化后的交流小信号状态方程为(12)、(13)。

　　(12)

　　(13)

　　根据方程 (12)、(13)可以建立更为直观的交流小信号等效电路模型，为分析变换器的小信号特性提供方便，如图5所示：

图4 双向开关前置的单相升压APFC变换器在CCD模式下的交流小信号等效模型

　　4 双向开关前置的单相升压APFC变换器仿真分析

　　下面利用MATLAB7.1中的Simulink6.0仿真软件对变换器电路进行仿真，假定参数设置如下：Vs=220V，初级电感L=1×10-3H，初级滤波电容C1=3.3μF，输出储能电容C2=200~5000μF，开关管的工作频率为fS=50KHz，负载R=20~140Ω。下面分别讨论储能电容C2和负载R的变化对功率因数（PF）和输出纹波电压（Vpp）的影响。

　　4.1参数变化对电路的功率因数（PF）的影响

　　参数变化会对电路的功率因数（PF）产生影响，以桥臂并联电容C2和负载R为变量，仿真求得电路的PF值，结果如表 1所示：

表 1 功率因数随输出侧并联电容值及负载变化的仿真结果

　　电容C2分别取500uF、1000uF、1500uF、2000uF、2500uF时，负载在20Ω～140Ω范围内对应分别取7组数据，利用MATLAB软件对各PF值进行三次多项式插值，插值后的变化曲线如图5所示。

图5 功率因数随输出侧并联电容值及负载变化的PF插值曲线

　　从图5可以看出，针对某一取值的电容，负载的变化对功率因数有很大影响，当40Ω≤R≤60Ω时，功率因数取得较大值。

　　4.2参数变化对电路的输出纹波电压（Vpp）的影响

　　参数的变化同样会影响电路的输出纹波电压（Vpp），以桥臂并联电容C2和负载R为变量，仿真求得电路的输出纹波电压值如表2所示。

表2 输出纹波电压随输出侧并联电容值及负载变化的仿真结果

　　电容C2分别取500uF、1000uF、1500uF、2000uF、2500uF时，负载在20Ω～140Ω范围内对应分别取7组数据，利用MATLAB软件对输出纹波电压（Vpp）进行三次多项式插值，插值后的变化曲线如图6所示。

图6 功率因数随输出侧并联电容值及负载变化的PF插值曲线

　　从图6可以看出，纹波电压值随负载电阻的增大而减小，负载电阻越大，纹波越小，输出电压越平滑。在实际应用中要同时兼顾设计要求和成本，一般来讲输出电压纹波（Vpp）在满载的情况下不大于20V就可以满足要求，这时候要尽可能考虑到成本，电容体积等因素，所以C2取1500uF左右即可。

　　综上所述，如果要求输出纹波电压VPP在20V以内，电容又不太大，优先考虑功率因数的情况下，结合体积、经济性等因素，则该电路的最佳参数选择为：C2取值在1500uF左右，R取40Ω≤R≤60Ω。

　　4.3最佳参数情况的实例仿真

　　下面针对最佳参数情况进行仿真，参数设置如下： Vs="220V"，初级电感L=1×10-3H，初级滤波电容C1=3.3μF，输出储能电容C2=1500μF，开关管的工作频率为fS=50KHz，负载R=50Ω。

　　仿真结果如下：

　　系统进入稳态后，输入电压电流波形如图7所示。可以看出变换器输入电流很好的跟踪了输入电压的波形。为了便于比较，图中交流电压Vs幅值是原来的1/20，每一格代表20伏特，电流的单位是安培。

图7 输入电压电流波形

　　功率因数的曲线如图8所示，从图中可以看出在0.15秒以前电路处于非稳定状态，功率因数有较大跳变，在0.15秒以后电路进入稳定状态，功率因数可以达到0.95以上。

图8 功率因数的曲线

　　输出电压波形如图9所示，从图中可以看出输出平均电压为400V左右，通过放大后的可以看出纹波电压的峰峰值为15V，该电路电容电压被很好的限制在一定的范围内，储能电容的耐压大大减少，保证了电路的输出特性。

图9 输出电压波形

　　5 结论

　　双向开关前置的单相升压APFC变换器电路把双向开关放置在整流桥前端，较好的解决了传统单相升压APFC变换器电路置后的升压电感直流偏磁问题，也便于电路的集成。通过优化电路参数配置可以实现很高的功率因数，而且输出电压稳定，输出纹波电压低，能够获得很好的输出特性。本文通过仿真找到了比较好的参数配置范围，对实际应用具有重要的指导意义。