1 概述
隨著計算機輔助設(shè)計軟件的涌現(xiàn)，越來越多的電子設(shè)計自動化（EDA）軟件應運而生，成為設(shè)計人員的得力工具。而PSpice軟件作為當今應用廣泛的EDA 軟件之一，是電子電路計算機輔助分析和設(shè)計中常用的一個通用軟件，對電路模擬分析的精度較高，使設(shè)計人員不必搭焊實際電路，而直接進入計算機模擬分析階段，非常方便。兼之其PSpice 仿真計算中采用了精確的半導體器件模型，稀疏矩陣技術(shù)等，使得PSpice 仿真在數(shù)學、物理上的概念非常清晰且精度高、通用性好，可以模擬各種類型的電路。
近年來，電網(wǎng)的諧波污染和無功問題日益嚴重，主要原因是電力半導體器件及電力電子設(shè)備裝置的廣泛應用。而特別針對于傳統(tǒng)的開關(guān)電源，大量采用不控整流加電解電容濾波供電，其網(wǎng)側(cè)電流波形為尖峰脈沖，輸入電流波形嚴重畸變，功率因數(shù)非常低。為滿足要求，有必要采用功率因數(shù)校正技術(shù)。
本文研究的高功率因數(shù)整流器，主電路采用橋式整流，再級聯(lián)以Boost 升壓式斬波器作為功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)，如圖1 所示。圖中，L 為儲能電感；VT為通斷開關(guān)，可采用MOS 管或IGBT等開關(guān)管；RS 為檢測電流的電阻，R 為負載，C 發(fā)揮濾波作用。通過對升壓斬波環(huán)節(jié)控制其電感電流跟蹤輸入電壓變化來降低輸入電流的畸變，并通過閉環(huán)控制，達到功率因數(shù)校正的目的。
2 高功率因數(shù)整流器的控制電路結(jié)構(gòu)
高功率因數(shù)整流器的核心部分為開關(guān)管VT的控制電路部分，本方案控制部分電路結(jié)構(gòu)簡單易懂，主要包括PI 調(diào)節(jié)器環(huán)節(jié)、乘法器環(huán)節(jié)、電壓電流檢測環(huán)節(jié)、開關(guān)管驅(qū)動環(huán)節(jié)以及滯環(huán)比較環(huán)節(jié)。而其中的關(guān)鍵是滯環(huán)比較環(huán)節(jié)的設(shè)計，滯環(huán)比較環(huán)節(jié)電路原理圖如圖2所示。
滯環(huán)比較器是在電壓比較器的基礎(chǔ)上引入了正反饋，形成了滯環(huán)控制。輸出電壓u憶o 為+UZ 或-UZ，其中+UZ 和-UZ 為運算放大器的正負電源電
3 高功率因數(shù)整流器的PSpice仿真
PSpice 通用電路模擬軟件是能在微型計算機上運行的SPICE 程序。SPICE 是Simulation Program with Intergrated Circuit Emphasis 的縮寫，它由美國加州大學伯克利分校于20世紀70 年代推出，主要用于集成電路的電路分析程序。PSpice除包含有SPICE 的仿真功能外，在計算的可靠性、收斂性及仿真速度等方面都有改進，并擴展了許多新功能。它增加了統(tǒng)計分析及電路特性的最壞情況分析，擴展了DC分析時的全部參數(shù)掃描，提高了參數(shù)分析能力。PSpice模擬器可以模擬被分析電路的直流特性、交流特性及瞬態(tài)特性，可以進行溫度特性、噪聲特性及靈敏度等特性的分析。電路工作頻段可由低頻段到微波段。PSpice 的Windows版本建立了良好的人機界面，以窗口及下拉菜單的方式進行人機交流，并在書寫源程序的文本文件輸入方式基礎(chǔ)上，增加了輸入電路原理圖的圖形文件輸入方式，操作直觀快捷，給使用者帶來極大方便。目前，在眾多的計算機輔助分析與設(shè)計軟件中，PSpice軟件被國內(nèi)外工程技術(shù)人員、專家、學者公認為是通用電路模擬程序中最優(yōu)秀的軟件。
應用PSpice對電路進行仿真首先就是要確定電路拓撲結(jié)構(gòu)，建立起電路作業(yè)文件。本文采用了PSpice 作業(yè)輸入文件的兩種描述形式之一的作業(yè)圖形文件，即在PSpice的Schematics 環(huán)境下建立的電路原理圖文件。首先啟動PSpice程序，新建一工作區(qū)，設(shè)置好文件的名稱和路徑，文件的后綴為.sch。此時會出現(xiàn)一空白的MicroSim Schematics的文件界面，即可開始繪制電路的原理圖。
繪圖時，根據(jù)設(shè)計好的原理圖，可首先在對應的原器件庫里選擇出所需要的元器件，放置在Schematics 面板上。例如，在Analog.slb 庫中提取電阻、電容、電感等元器件；在Source.slb 庫中提取正弦電壓源；在Global.slb 中提取地線等。待所有元器件提取完畢后把它們分別放在屏幕相應合適的位置上。就可以在Draw 菜單下單擊Wire 項進行連線，把組件的端點按原理圖連接起來。原理圖繪制完成后（如圖4 所示），要確保各元器件連接完好并且原理圖要準確無誤，否則會導致原理圖無法進行仿真。
接下來就是對電路進行仿真分析了，在此之前要通過菜單Setup 項進行分析設(shè)置，制定何種分析，并設(shè)置相關(guān)參數(shù)，這也是利用圖形輸入進行PSpice 模擬分析的關(guān)鍵。它包括直流分析、交流分析、溫度分析、瞬態(tài)分析等多種分析模式。在此，本課題研究單位功率因數(shù)整流電路，就是要驗證電路輸入電流與輸入電壓之間接近同相位的關(guān)系，即功率因數(shù)近似為1，也就是通過比較輸入電壓和輸入電流隨時間變化的波形的相位關(guān)系，所以在這里進行的是瞬態(tài)分析。在Setup 中選中Transient項并進行進一步的參數(shù)設(shè)置。
參數(shù)設(shè)置完成后，即可對電路進行仿真分析，通過調(diào)整電路的各項參數(shù)，可以得到一系列的波形圖（圖5、圖6、圖7 所示）。從仿真波形可以看出，直流輸入側(cè)電流波形為半周正弦波且與電壓波形同相，如圖5所示；交流側(cè)電流波形為完好的正弦波，并且功率因數(shù)為1，如圖6 所示；輸出電壓也逐漸趨于平穩(wěn)，紋波系數(shù)很小，如圖7 所示。
設(shè)計的關(guān)鍵在于各項參數(shù)的選擇確定。通過輸入電壓與輸入電流的波形對比可以看出，經(jīng)過有效控制后，輸入電流基本與輸入電壓同相，且進行了實時跟蹤，輸入電流波形也非常接近正弦波，使畸變問題得到了很好的解決，達到了控制的目的。通過調(diào)節(jié)給定值及負載大小都可產(chǎn)生相應的跟蹤變化，調(diào)節(jié)參數(shù)值即可達到預期的調(diào)節(jié)結(jié)果。
4 結(jié)語
通過參數(shù)設(shè)計、仿真分析，可以看出文中所設(shè)計的高功率因數(shù)整流器，實現(xiàn)了功率因數(shù)近似為1，并且電流波形近似正弦波，輸出電壓平穩(wěn)且紋波系數(shù)很小，表明了本文中單位功率因數(shù)整流電路及其控制原理的可行性。