有源濾波對開關電源功率因數進行校正-本科畢業(yè)論文

1、<p><b>　　摘　要</b></p><p>　　開關電源是實現電能轉換和功率傳遞的重要設備。近年來，隨著電力電子技術的快速發(fā)展，開關電源因其效率高、性能好、成本低而被廣泛應用于國民經濟的各個領域，并取得了顯著的效益。因此研究設計一款性能穩(wěn)定、可靠性高的開關電源具有極高的科研意義和商業(yè)價值[1]。</p><p>　　本文對Boost型功率因數校正技術

2、進行了分析、設計和研究。詳細分析了有源功率因數校正器的基本工作原理，通過比較幾種不同拓撲的PFC變換器主電路的優(yōu)缺點，和比較控制電路的幾種不同控制方法的優(yōu)缺點，明確本文所要研究的對象為平均電流控制（ACM）的Boost型功率因數校正器。</p><p>　　在此基礎上對Boost主電路和控制電路進行數學建模，得出其狀態(tài)方程和傳遞函數，運用仿真軟件MATLAB中的Simulink工具，建立了Boost主電路和控制電

3、路的Simulink仿真模型，并得出其仿真結果。</p><p>　　本文根據Boost變換器的特點和要求，設計了一個具體、實用的帶PFC功能的開關電源電路，并給出了具體設計步驟和電路參數的計算。</p><p>　　平均電流控制的單相Boost功率因數校正電路，完全能夠達到整流、高輸入功率因數、升壓、穩(wěn)壓、低紋波的目標，具有廣闊的應用前景。</p><p>　　關

4、鍵詞：功率因數校正；Boost變換器；仿真</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Swiching power supply is an important to achieve Power conversion And Power delivery. In reeent years，Swiching power supply is

5、 widely used in variouse field of national economy with the development of power electronice technology,and achieveing remarkable result,because of its high effieieney,good performance and low cost.So designing a kind of

6、 Switching Power supply with steady Performance and high reliability has high seientific and commercial values.</p><p>　　Based on the summary of the fruits of the research of the Active Power Factor Correcti

7、on, the PFC system, which adopts Boost power converter circuit and Average Current Mode control scheme, is well studied in this thesis.</p><p>　　According to the principle and the discussion of the single-ph

8、ase active power correction, concluding different structures of the main circuit and methods of the controllers, the PFC system, which adopts Boost power converter circuit and Average Current Mode control scheme is indic

9、ated as the developing direction of PFC and regarded as PFC system structure.</p><p>　　Then, the state differential equations of ideal Boost converter and the general transfer functions of PWM converter are

10、deduced and the simulation models of ideal converter are showed using MATLAB. </p><p>　　Besides, we design a practical circuit with the function of PFC, giving discrete design steps and the calculation of th

11、e circuit parameters.</p><p>　　Finally, we can conclude that the PFC system which adopts Boost power converter circuit and Average Current Mode control scheme can achieve good performance, which can be used

12、widely in the future.</p><p>　　Key words: PFC (power factor correction); Boost converter; Simulation</p><p><b>　　目　錄</b></p><p><b>　　第1章 緒 論1</b></p>

13、<p>　　1.1開關電源的發(fā)展1</p><p>　　1.2論文研究的目的和意義2</p><p>　　1.3功率因數的定義以及校正方法3</p><p>　　1.4論文要完成的主要工作5</p><p>　　第2章 有源功率因數校正技術及其控制方法的研究6</p><p>　　2.1有源功率因

14、數校正技術基本原理6</p><p>　　2.2 有源功率因數校正主電路的選擇7</p><p>　　2.3　有源功率因數校正技術的工作模式7</p><p>　　2.4 有源功率因數校正技術的控制策略9</p><p>　　2.5　本章小結14</p><p>　　第3章 有源功率因數校正電路的設計15&

15、lt;/p><p>　　3.1　有源功率因數電路的選擇15</p><p>　　3.2　有源功率因數電路的參數設計17</p><p>　　3.3　本章小結23</p><p>　　第4章　APFC電路的仿真分析24</p><p>　　4.1　MATLAB簡介24</p><p>　　4

16、.2　APFC主電路的仿真25</p><p>　　4.3　Boost型APFC電路的仿真29</p><p>　　4.4　APFC電路的優(yōu)化設計34</p><p>　　4.5　本章小結38</p><p><b>　　結　論39</b></p><p><b>　　參考文獻

17、40</b></p><p><b>　　致　謝41</b></p><p><b>　　第1章 緒 論</b></p><p>　　1.1開關電源的發(fā)展</p><p>　　開關電源是利用現代電力電子技術，通過控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源充電器。從

18、廣義上來說，凡用半導體功率器件做開關，將一種電源形態(tài)轉換為另一種電源形態(tài)的主電路都叫做開關變換器電路，轉換時用自動開關閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有各種保護環(huán)節(jié)的則稱為開關電源。</p><p>　　開關電源的發(fā)展與半導體器件及磁性元件的發(fā)展是休戚相關的。1955年美國科學家羅耶首先研制成功了自激振蕩的晶體管直流變換器，此后，世界各地利用這一技術的各種形式的晶體管自激振蕩直流變換器不斷被研制出來。如自激式推挽雙變壓器等。到19

19、69年開關電源首先在國外問世，雖然它的頻率只有25kHz，但它的出現卻是電源發(fā)展歷程的一個重要的里程碑。</p><p>　　進入七十年代，隨著電力電子技術和半導體技術的發(fā)展，開關穩(wěn)壓電源得到迅速發(fā)展，功率半導體器件從雙極型器件(BPT、SCR、 GTO)發(fā)展為MOS型器件(功率MosFET、IGBT、IGCT等)，這使得開關電源的高頻化的實現有了可能，相比于晶體管穩(wěn)壓電源，它的電路結構更簡單，損耗更低，效率也變

20、得更高。</p><p>　　自80年代起，高頻化和軟開關技術以及各種電力電子集成技術的開發(fā)研究，使開關電源的性能得到進一步提升、重量得到降低、尺寸也將變得更小。如將開關變換器技術應用到提高功率因數和改善電流波形上來，研發(fā)了功率因數校正 (PowerFactorcorreetion，PFC)技術。同時相繼提出PEBB與IPEM技術概念的電力電子技術，但此時開關電源的集成度較低。80年代初采用上述原理第一套完整的

21、48V成套電源在英國出現。到80年代末，計算機全面實現了開關電源化，率先完成計算機的電源換代。</p><p>　　90年代開始，隨著脈寬調制電路的出現，開關電源在電子、電器設備、家電領域得到了廣泛的應用，進入快速發(fā)展期，正朝著智能化、集成化、高頻化、模塊化和綠色能源方向發(fā)展。此后零電壓、零電流軟開關拓撲電路的廣泛應用，是開關電源技術的又一次飛躍。</p><p>　　進入21世紀以來，隨

22、著開關電源綠色化概念的提出。功率因數校正又被重新提起，并迅速發(fā)展起來，各種帶有功率因數校正的開關電源不斷出現。為了提高AC/DC變換器輸入端功率因數，減小電流的諧波，20世紀80年代人們將開關變換器技術應用到提高功率因數和改善電流波形上來，研發(fā)了功率因數校正技術。目前有兩個標準，即JEC555~2和JEC1000~3~2。自從歐洲和日本相繼對開關電源輸入諧波的要求制訂了標準以后，這些規(guī)定和標準的執(zhí)行使得PFC技術的研究成為當今電源界

23、的熱點。早期的功率因數校正采用大容量的電感器和電容器等無源器件構成無源網絡對電路進行功率因數校正，即我們常說的無源功率因數校正技術(PassivePowerFactoreorrection，PPFe)。它難以實現功率因數PF=1，一般可提高到0.6~0.7左右，同時輸入諧波電流的抑制效果也不是很好。目前該技術主要應用于功率小于300W、對體積和重量要求不高的場合。隨之填谷 (vaneyFill)式的無源PFC電路的出現給功率因數的提高又

24、帶來了一絲曙光，它利用二極管和電容的串并聯切換來增大二極管的導通角，可以使功率因數達到0.9以上。但</p><p>　　由于無源PFC技術發(fā)展的局限性，人們加快了對功率半導體器件的研究，隨著開關變換技術突飛猛進，到50年代，有源功率因數校正技術的誕生，它是在整流橋和DC/DC變換之間添加一個變換器，應用電流反饋技術使輸入端電流波形跟蹤輸入端電壓正弦波形，功率因數可提高到0.99以上。</p>&l

25、t;p>　　進入21世紀以來，功率因數校正技術的研究重點集中在：新拓撲的提出、軟開關技術、單級PFC變換器的研究以及新的控制方法的提出和無橋式整流的PFC。</p><p>　　1.2論文研究的目的和意義</p><p>　　電源是工業(yè)動力和人類生活之源，任何電子設備的可靠運行都離不開電源，這就決定了電源在電子設備中的重要性。隨著電力電子技術的快速發(fā)展，作為電源中重要組成的開關電源己

26、廣泛應用到人們的日常生活和工作中，成為不可缺少的一部分。</p><p>　　高頻化是實現開關電源小型化的一種最重要的途徑，己成為發(fā)展的重要趨勢，其技術難點是必須在輕、小、薄和高開關頻率的前提下保證高效率和高穩(wěn)定性運行，并使電磁干擾和諧波干擾最小。因此，高頻化是開關電源的發(fā)展方向，但是高頻化后產生的許多問題必須得到解決。</p><p>　　隨著開關頻率的提高，電源中的分布電感、電容和功率

27、開關管中存儲電荷所產生浪涌或噪聲就會越來越多，使得電磁干擾現象越來越嚴重，這樣開關電源即使體積跟成本減少了，本身性能的大幅度降低也會限制開關電源的發(fā)展。目前，市場上頻率為幾百kHz甚至幾MHz左右的開關電源己經開始實用化，但其一般直接與220V市電相連，經輸入整流濾波后供給系統(tǒng)使用，在這個AC/DC轉換過程中，雖然輸入的交流市電波形是正弦的，但輸入的電流卻含有大量諧波電流分量，發(fā)生了嚴重畸變，功率因數很低，對電能造成了嚴重的浪費；同時這

28、些諧波分量還會反饋回市電電網中，使電網電壓發(fā)生畸變;干擾其內部設備或通過電磁波形式輻射影響到外部設備。因此諧波抑制和功率因數提高已成為開關電源研究領域所面臨的一個重大課題，正在受到越來越多的關注。</p><p>　　功率因數校正技術作為開關電源中抑制諧波電流和提高功率因數的一門新興技術，它的作用和重要性已得到人們的廣泛認可。進入二十一世紀，功率因數校正技術的研究方日漸興盛，特別是在我國，但相對于這方面的要求和標

29、準規(guī)范還不健全。</p><p>　　對于消費者來說，功率因數校正產生的效益并不是立竿見影的，因此增加成本對他們來說是一件很難接受的事情。從長遠來看，雖然附加功率因數校正電路會給開關電源的成本增加約20~30%，但它所能產生的節(jié)能效益將顯著超過前期投資。正因為如此，世界上許多國家要求在其國內新流通的開關電源產品中增加功率因數校正這一環(huán)節(jié)。在科學技術飛速發(fā)展的今天，隨著社會的進步和人民生活水平的提高，對電能質量的

30、要求也越來越高，高性能、低成本的功率因數校正技術具有極大的市場潛力和應用前景。</p><p>　　1.3功率因數的定義以及校正方法</p><p>　　1.3.1功率因數的定義</p><p>　　功率因數PF定義為：功率因數（PF）是指交流輸入有功功率（P）與輸入視在功率（S）的比值。</p><p><b>　　式中：<

31、/b></p><p>　?。夯ㄒ驍?，即基波電流有效值I1與電網電流有效值IR之比。</p><p><b>　?。弘娋W電流有效值</b></p><p><b>　　：基波電流有效值</b></p><p><b>　?。弘娋W電壓有效值</b></p>

32、<p>　?。夯娏髋c基波電壓的位移因數</p><p>　　γ稱為畸變因數，它表示了基波電流有效值在總的輸入電流有效值中所占的比例； 稱為位移因數，它反映了輸入電流與輸入電壓之間的相位差。功率因數是畸變因數和位移因數的乘積，在線性電路中，無諧波電流，電網電流有效值 與基波電流有效值 相等，基波因數 =1，所以PF＝ ＝1 ＝ 。如果整流橋后面沒有并聯蓄能電容，而直接是接上一個純阻性的負載，那么很顯然

33、，電壓和電流之間的相位差為零，功率因數為1。因此功率因數校正技術的本質，是要使用電設備的輸入端對輸入電網呈現“純阻性”，也就是要使輸入電流和輸入電壓之間成正比，且相位差為零。另一方面，從能量傳輸的角度來講，功率因數校正技術就是要使用電設備的輸入端只能從輸入電網汲取能量。而不要將能量重新反饋回輸入電網中去。當線性電路且為純電阻性負載時，PF＝γ· ＝1[2]。</p><p>　　1.3.2功率因數校正的

34、方法</p><p>　　(l)無源PFC技術:采用體積龐大的電感和電容來提高功率因數，不過它很難實現功率因數等于1，目前還被應用到重量體積不受限制的小型設備。這一方法是在整流器和電容之間串聯一個濾波電感，或在交流側接入諧振濾波器。如圖 1-1所示，它是通過大電感 L1 來展寬輸入電流的導通角，從而實現提高功率因數的目的。其主要優(yōu)點是：簡單，成本低，可靠性高，EMI ??；主要缺缺點是：尺寸，重量大，難以得到高功率

35、因數（一般可提高到 0.9 左右），工作性能與頻率，負載變化及輸入電壓變化有關，電感和電容間有很大的放電電流。</p><p>　　圖1-1 無源功率因數校正電路</p><p>　　(2)有源PFC技術：采用有源器件，在整流部分和負載之間添加一個DC/DC變換器，應用電流反饋技術，使輸入端電流波形跟蹤輸入正弦電壓波形，從而使電網輸入端的電流波形逼近正弦波，并與輸入的電網電壓同相位。目前最

36、常用的是高頻APFC技術，它能使功率因數可達到0.99，正被廣泛應用于AC/DC開關電源、交流不間斷電源(UPS)等領域。無源功率因數校正技術由于采用大而笨重的電感和電容來改善輸入功率因數，致使峰值充電效應產生的高次諧波電流輻射出去進而污染電網，同時它的體積很大而且功率因數卻得不到很好的提高。而有源功率因數校正技術則通過相應的反饋控制電路，使輸入端電流平均值跟蹤交流輸入正弦電壓波形，可以使輸入電流接近正弦，從而大大提高功率因數，一般校正

37、后PF可提高到0.99或更高，并且現在采用的有源功率因數校正技術的大都是高頻的，因而它的體積更小，基于此本文主要研究高頻有源功率因數校正的開關電源。由于 APFC 技術的優(yōu)點正符合開關電源高頻化，綠色化的發(fā)展趨勢，現在 APFC 技術已經廣泛應用于 AC/DC 開關電源，交流不間斷電源(UPS)及其它電子儀器中。</p><p>　　圖1-2 簡化的有源功率因數校正電路</p><p>　

38、　1.4論文要完成的主要工作</p><p>　　隨著全球能源問題的臨近，開關電源產品的耗能問題也變得越來越嚴重，如何降低這些不必要的損耗已成為一個函待解決的問題。通過認識得知，在相同的輸入功率下，提高開關電源的輸出功率主要有兩個途徑，一是提高開關電源的效率，二是提高開關電源的功率因數。但開關電源效率的提高難度很大，并且效果也不明顯，因此功率因數的提高是目前最有效的方法。</p><p>

39、　　本文通過對APFC主電路拓撲結構的仿真研究，并進行了控制方法研究，在此基礎上，研究設計了一款帶有Boost型有源功率因數校正的高功率因數開關電源，并通過MATLAB對整體系統(tǒng)的仿真研究得到了證實。</p><p>　?。?）概述功率因數校正技術的發(fā)展狀況及其分類，本課題的主要工作。</p><p>　?。?）在論述有源功率因數校正基本原理的基礎上，對有源功率因數校正器幾種主電路拓撲進行

40、分析和比較，并總結各自的優(yōu)缺點；對有源功率因數校正電路的控制策略進行了詳細的分類闡述，總結各自的優(yōu)缺點及適合的應用場合。通過分析比較確定本文研究的對象為平均電流控制模式的Boost型功率因數校正技術。</p><p>　?。?）推導理想Boost變換器的狀態(tài)方程；建立了Boost變換器的MATLAB數學模型。</p><p>　　（4）設計控制電路的參數，建立電壓誤差放大器和電流誤差放大器

41、的傳遞函數。</p><p>　?。?）建立Boost型APFC的仿真模型，并比較分析系統(tǒng)在功率因數校正前后的輸入電壓電流波形和輸出電壓波形的變化，結果驗證本文的方法設計Boost型APFC電路的各參數可獲得滿意得效果，說明這種設計方法的合理性。</p><p>　　第2章 有源功率因數校正技術及其控制方法的研究</p><p>　　2.1有源功率因數校正技術基本原

42、理</p><p>　　有源功率因數校正技術 APFC(Active Power Factor Correction)伴隨著開關電源變換技術的發(fā)展而出現。早期，功率半導體技術尚未成熟，有源功率因數校正電路，大多借助于晶閘管電路來實現。隨著功率半導體技術的發(fā)展，各種性能優(yōu)異、價格便宜的功率開關器件紛紛出現?，F在只有在大功率場合，才會使用晶閘管。基于現代高速半導體開關器件和控制集成電路的現代高頻功率電子電路，構成了現

43、代有源功率因數校正控制電路的主流。有源功率因數校正技術，雖然控制復雜，但是其所得的功率因數高，且由于這種方式采用的是開關電源變換技術，開關工作頻率高，因此與無源功率因數校正相比較，所需要的濾波電容、電感都要小，體積和重量也就小。隨著各種便攜式設備的風行，這種校正方式正成為功率因數校正的主流。</p><p>　　APFC電路是在整流器和負載之間接入一個DC/DC開關變化器，應用電壓電流反饋技術，使輸入端電流波形跟

44、隨輸入正弦電壓波形，從而使輸入電流的波形也接近正弦波，達到提高功率因數的目的。由于在此電路中使用了有源器件，所以稱為有源功率因數校正電路。</p><p>　　其基本思想是：交流輸入電壓經全波整流后，對所得的全波整流電壓進行DC/DC變換，通過適當控制使輸入電流波形自動跟隨全波整流后的電壓波形，使輸入電流正弦化，同時保持輸出電壓穩(wěn)定，APFC電路一般都有兩個反饋控制環(huán)：內環(huán)為電流環(huán)，使DC/DC變換器的輸入電流與

45、全波整流電壓波形相同；外環(huán)為電壓環(huán)，使DC/DC變換器輸出穩(wěn)定的直流電壓。</p><p>　　圖2-1 有源功率因數校正電路原理</p><p>　　2.2 有源功率因數校正主電路的選擇</p><p>　　有源功率因數校正就是在橋式整流電路和輸出電容之間增DC/DC變換器，其主電路拓撲結構由儲能電感L和高頻功率開關管構成，按電路結構可分為：升壓型、降壓型、升降壓

46、型和反激型。</p><p>　　這幾種PFC電路的特點如下：</p><p>　　降壓式PFC：電路只能實現降壓功能，輸入電流不連續(xù)，因此仙子了變換器的轉換功率，另一方面輸入電流紋波較大，濾波困難。在變換器工作時，開關管上的應力比較大，因此很少用于功率因數校正電路。</p><p>　　反激式PFC：輸入輸出之間隔離，輸出電壓可以任意選擇，屬于簡單電壓型控制器，適

47、應于100W以下或更小功率的電源。</p><p>　　升降壓式PFC：需用兩個電子開關，電路比較復雜，因此采用的比較少。</p><p>　　升壓式PFC：整個電路工作在一個穩(wěn)定的狀態(tài)，電源的輸入電流始終和電感電流相等，由于輸入電流可以處于連續(xù)狀態(tài)，因此輸入電流的紋波比較小，降低了濾波電路的設計要求。電路只能實現升壓變換，輸出電壓高于輸入電壓峰值，電流允許的輸入電壓范圍擴大，通常可調到9

48、0～270W，對市電交流電壓為100V的國家和地區(qū)特別合適。由于升壓斬波電路的穩(wěn)定作用，整流輸出的電壓是穩(wěn)定的，有利于后級工作穩(wěn)定，提高控制精度和效率，升壓式PFC控制簡單，適應于75～2000W的功率電源，應用最為普遍。</p><p>　　由于回掃型和升降壓型都是基于升壓型和降壓型改變研制的，因此本節(jié)主要以升壓型和降壓型為研究的重點。</p><p>　　2.3　有源功率因數校正技術的

49、工作模式</p><p>　　APFC電路在通常情況下需要用電壓-電流的雙環(huán)反饋來控制，這在一定的程度上會使PFC電路顯得較為復雜。</p><p>　　由于Boost變換器具有控制容易，輸入電流可以連續(xù)且紋波電流較小等諸多優(yōu)點，因而得到了廣泛的應用[9]，為了方便敘述，這里主要用Boost變換器作為描述和分析的對象。</p><p>　　根據電路輸入電流檢測和控制

50、方式，APFC電路的工作模式可分成兩種：電感電流連續(xù)（Continue Current Mode,CCM）和電感電流不連續(xù)工作(Discontinue Current Mode,DCM)兩大類[5] 。</p><p>　　不連續(xù)導電控制模式（DCM）又稱為電壓跟蹤控制（Voltage-follower Control）方式，主要有恒頻、變頻方式等，它是APFC控制中簡單而實用的一種控制方式，應用較廣。為了獲得理

51、想的穩(wěn)壓輸出，需要輸出電壓閉環(huán)反饋控制環(huán)節(jié)，開關由輸出電壓誤差信號控制。在一個開關周期電感電流的平均值正比于輸入電壓，因此輸入電流波形自然跟蹤輸入電壓波形[6]。</p><p><b>　　1．恒頻方式</b></p><p>　　圖2-2給出了Boost電路的DCM控制原理圖，電壓調節(jié)器E/A的頻帶寬度取10-20Hz，確保穩(wěn)態(tài)時輸出占空比在半個工頻周期內保持不變

52、。恒頻控制時開關周期恒定，電感電流不連續(xù)。電感電流在一個開關周期內的平均值為</p><p>　　圖2-2　DCM控制原理圖</p><p>　　式中 為整流后的電壓； 為功率開關管S的導通時間； 為二極管VD的續(xù)流時間； 為開關周期。</p><p>　　式（2-1）中 恒定，DC/DC變換器輸入側等效為阻性負載，整流器交流側電壓電流同相位。實際上， 在半個工頻周

53、期內并不恒定，導致輸入平均電流有一定程度的畸變。</p><p>　　輸出電壓與輸入電壓峰值的比值越大，輸入電流畸變程度越小。該方式下的電流THD可控制在10%以內。</p><p><b>　　2．變頻方式</b></p><p>　　式（2-1）中，若 ，則輸入平均電流只與導通時間有關，保持 恒定，輸入電流理論上無畸變，這就是變頻控制原理。

54、變頻控制方式下電流工作于臨界DCM狀態(tài)，集成控制器UC3852可實現上述功能[11]。</p><p>　　當占空比和開關頻率固定時，輸入電流的平均值正比于輸入電壓，因此不再需要電流控制環(huán)輸入電流的平均值就能自動跟蹤輸入電壓呈正弦波形。</p><p>　　DCM 控制方法的一個基本特點就是電感能量的完全傳輸，即在每一個開關周期中，轉換電感都必須把從電源中獲得的能量完全轉移到蓄能電容(輸出

55、電容)中去。DCM 模式的輸入電流自動跟蹤電壓，功率管實現零電流開通，不承受二極管的反向恢復電流。但是由于變換器工作在不連續(xù)導電模式下，需要較大的輸入濾波器。開關不僅要導通較大的通態(tài)電流，而且將關斷更大的峰值電流并引起很大的關斷損耗，使開關的使用壽命降低，同時還會產生嚴重電磁干擾，DCM 模式可以采用恒頻控制、變頻控制、等面積控制等控制方法，這種工作模式的APFC 一般功率小于200W。</p><p>　　CC

56、M 模式的電感電流連續(xù)，輸入電流紋波和輸出電流紋波小、EMI小，濾波器體積小，電流峰值比 DCM 模式要小，器件的應力相對也更小。但是它的控制方法比較復雜，開關損耗較大，制作成本也比較高，通常需要使用乘法器，采用電流閉環(huán)控制，且開關管工作于變頻或 PWM 控制方法。這種工作模式一般適用于大功率、大電流的產品中。</p><p>　　2.4 有源功率因數校正技術的控制策略</p><p>　

57、　按照測量控制輸入電流方法的不同，APFC 可以有多種控制策略，在電流連續(xù)情況下，經典控制策略中又主要有三種基本的控制方式：峰值電流控制，滯環(huán)電流控制，和平均電流控制[5][6]。</p><p>　　現以Boost型PFC電路為例來說明這三種控制方法的基本原理[7][8]，假設電路工作模式為CCM（電感電流連續(xù)模式）。</p><p>　?。?）峰值電流控制（Peak Current M

58、ode Control）</p><p>　　圖2-3是峰值電流控制模式PFC電路原理圖。其中功率管的開關周期恒定不變?yōu)門。輸入電壓信號和輸出電壓的反饋信號相乘，形成一個與輸入電壓同頻同相的電流控制參考信號（基準電流環(huán)信號）。功率管S導通，電感L充電時，電感電流的檢測信號和基準電流環(huán)信號相比較，當電感電流上升到基準信號值時，觸發(fā)邏輯控制部分使功率管S關斷，電感開始放電，當一個開關周期T結束時，功率管重新導通。圖2

59、-4是在半個工頻周期內，功率開關管的控制波形和電感電流波形 的示意圖。</p><p>　　峰值電流控制法來實現Boost型PFC電路時的最主要問題是：被控制量是電感電流的峰值，因此并不能保證電感電流即輸入電流平均值和輸入電壓完全成正比，并且在一定條件下會有相當大的誤差，以至無法滿足THD很小的要求；峰值電流對噪聲也很敏感；占空比大于0.5時產生次諧波振動；需要在比較器輸入加諧波補償。因此在PFC電路中，這種控制

60、方法已經逐漸趨于淘汰。</p><p>　　峰值電流控制法來實現Boost型PFC電路時的最主要問題是：被控制量是電感電流的峰值，因此并不能保證電感電流即輸入電流平均值和輸入電壓完全成正比，并且在一定條件下會有相當大的誤差，以至無法滿足THD很小的要求。</p><p>　　圖2-3　峰值電流控制原理圖</p><p>　　圖2-4　峰值法控制時電感電流波形<

61、/p><p>　　峰值電流控制法來實現Boost型PFC電路時的最主要問題是：被控制量是電感電流的峰值，因此并不能保證電感電流即輸入電流平均值和輸入電壓完全成正比，并且在一定條件下會有相當大的誤差，以至無法滿足THD很小的要求。峰值電流對噪聲也很敏感；占空比大于0.5時產生次諧波振動；需要在比較器輸入加諧波補償。因此在PFC電路中，這種控制方法已經逐漸趨于淘汰。</p><p>　　圖2-5　

62、滯環(huán)電流控制原理圖</p><p>　　圖2-5是滯環(huán)電流控制方法實現Boost型PFC電路的原理圖和在半個工頻周期內，功率開關管S的控制波形和電感電流波形的示意圖。和峰值電流控制法不同的是，被控制量是電感電流的變化范圍。輸入電壓信號和輸出電壓的反饋信號相乘，形成兩個大小不同的與輸入電壓同頻同相的電流控制參考信號，即：上限基準電流環(huán)信號和下限基準電流環(huán)信號。電感電流的檢測信號需要和兩個基準電流環(huán)信號相比較來產生對

63、功率開關管的控制信號，其控制步驟為：當功率管S導通，電感L充電時，電感電流的檢測信號和上限基準電流環(huán)信號相比較，當電感電流上升到上限基準信號值時，觸發(fā)邏輯控制部分使功率管S關斷，電感開始放電；當電感電流下降到下限基準信號值時，觸發(fā)邏輯控制部分使功率管S導通，電感L重新充電。</p><p>　　這種控制模式下，功率管的導通時間是恒定的，而關斷時間是變化的，因此功率管的開關周期是變化的。圖2-6中實線為電感電流 ，

64、 為上限電流基準， 為下限電流基準。電流滯環(huán)的寬帶度決定了電流紋波的大小，它可以是固定值，也可以與瞬時平均電流成比例。</p><p>　　圖2-6　滯環(huán)電流控制時電感電流波形圖</p><p>　　圖2-6　滯環(huán)電流控制時電感電流波形圖</p><p>　　滯環(huán)電流控制法對Boost型PFC電路而言是一種較為簡單的控制方式，由于控制中沒有外加的調制信號，電流的反饋

65、和調制集于一身，因而可以獲得很寬的電流頻帶寬度，電流動態(tài)響應快，具有內在的電流限制能力等優(yōu)點。它的主要缺點是：負載對開關頻率影響很大，因此設計濾波器時，要按最低開關頻率考慮不可能得到體積和重量最小的設計；滯環(huán)寬度對開關頻率和系統(tǒng)性能影響很大，需要合理選取；當輸入電源電壓近零時，兩個基準信號的差值很小，由于比較器精度及延遲等因素，容易引起過零點電流死區(qū)問題，這一般需要對電路加以補償來解決。</p><p><

66、b>　　（3）平均電流控制</b></p><p>　　平均電流控制模式PFC電路原理圖2-7所示，平均電流控制在功率因數校正中應用最為廣泛，其輸入電感電流波形如圖2-8所示。它把輸入整流電壓和輸出電壓誤差放大信號的乘積作為基準電流，并且電流環(huán)調節(jié)輸入電流平均值，使其與輸入整流電壓同相位，并接近正弦波形。輸入電流被直接檢測，與基準電流比較后，其高頻分量的變化，通過電流誤差放大器被平均化處理。放大

67、后的平均電流誤差與鋸齒波斜坡比較后，給開關管驅動信號，并決定了其應有的占空比，于是電流誤差被迅速而精確地校正。</p><p>　　平均電流控制的特點是被控制量是輸入電流的平均值，因此THD和EMI都很小；對噪聲不敏感；電感電流的峰值與平均值之間誤差很??；原則上可以檢測任意拓撲、任意支路的電流；可以工作在CCM或DCM模式；并且開關頻率是固定的，適用于大功率的場合，是目前PFC中應用最多的一種控制方式。</

68、p><p>　　圖2-7　平均電流控制原理圖</p><p>　　圖2-8　平均電流法控制時的電感電流波形</p><p>　　平均電流控制的特點是被控制量是輸入電流的平均值，因此THD和EMI都很?。粚υ肼暡幻舾?；電感電流的峰值與平均值之間誤差很??；原則上可以檢測任意拓撲、任意支路的電流；可以工作在CCM或DCM模式；并且開關頻率是固定的，適用于大功率的場合，是目前P

69、FC中應用最多的一種控制方式。</p><p>　　表2-1為這三種控制方法的基本特點，通過對比三種控制方式的優(yōu)缺點來選擇合適的控制方式。</p><p>　　表2-1　三種常用PFC控制方法</p><p><b>　　2.5　本章小結</b></p><p>　　本章首先分析了有源功率因數校正技術的基本原理，然后在比

70、較 APFC 電路幾種不同拓撲結構和工作模式特點，同時對有源功率因數校正技術的控制策略作了詳盡的介紹。</p><p>　　第3章 有源功率因數校正電路的設計</p><p>　　3.1　有源功率因數電路的選擇</p><p>　　Boost 型 APFC 電路的輸入電流必須被強制或調節(jié)到同輸入電壓成正比，需要反饋信號來控制輸入電流，可采用峰值電流型控制，滯環(huán)電流型

71、控制和平均電流型控制。峰值電流型控制有一個低增益、寬頻帶的電流環(huán)，其通常不適于高性能的 APFC，因為在調節(jié)信號和電流之間存在嚴重誤差，這將產生畸變和低功率因數；滯環(huán)電流控制由于負載大小對開關頻率影響很大，無法得到體積和重量最小的設計；而平均電流型控制則在圍繞升壓功率級的反饋環(huán)路中用一個放大器使輸入電流以極小的誤差跟蹤調節(jié)信號，達到高功率因數，同時相對比較容易控制，而且定頻電流控制，穩(wěn)定性高、失真小，對于中、大功率開關電源比較適合。本章

72、首先來分析平均電流控制 Boost 型 APFC 電路的工作原理，然后在此基礎上對其進行小信號建模。相比較而言，升壓式APFC具有功率因數高，電流波形失真小，輸出電壓高等顯著優(yōu)點，因此，功率因數校正電路選擇升壓型主電路。</p><p>　　根據第二章中關于APFC控制方式的介紹，結合各自的優(yōu)缺點，我們選擇CCM控制模式下的平均電流控制方案，并基于集成芯片UC3854設計起參數和建立仿真模型。UC3854是美國U

73、nitrode公司開發(fā)的基于平均電流的Boost型APFC控制IC，具有帶寬高，輸入電流跟蹤能力強等優(yōu)點。</p><p>　　APFC電路同時具有整流和穩(wěn)壓功能，即整流要求輸入功率因數為1，穩(wěn)壓要求輸出電壓穩(wěn)定。為此，PFC電路必須同時引入電壓和電流反饋構成一個雙環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)實現輸出電壓穩(wěn)定，內環(huán)實現輸入電流整形，使之成為與輸入電壓同相位的標準正弦波。</p><p>　　現介紹Bo

74、ost型功率因數校正電路的基本原理[9]。圖3-1所示為一個Boost有源功率因數校正器的原理圖。主電路由單相橋式整流器和DC/DC變換器組成，控制電路包括基準電壓及電壓誤差放大器VA、乘法器M、電流誤差放大器CA、脈寬調制器和驅動器等組成，負載可以是一個開關電源。</p><p>　　Boost型APFC的工作原理如下：主電路的輸出電壓與基準電壓值比較后，輸入給電壓誤差放大器，電壓誤差放大器的輸出和整流后的輸入

75、電壓共同加到乘法器中，乘法器的輸出作為電流反饋控制的基準值，與檢測到的輸入電流信號進行比較后，輸入到電流誤差放大器并加到PWM及驅動器，來控制開關S的通斷，從而使輸入電流（即電感電流）與整流輸入電壓波形基本同相，使電流諧波大為減少，提高了輸入端功率因數，同時保持輸出電壓穩(wěn)定。</p><p>　　圖3-1　Boost有源功率因數校正原理圖</p><p>　　APFC電路同時具有整流和穩(wěn)壓

76、功能，即整流要求輸入功率因數為1，穩(wěn)壓要求輸出電壓穩(wěn)定。為此，PFC電路必須同時引入電壓和電流反饋構成一個雙環(huán)控制系統(tǒng)，外環(huán)實現輸出電壓穩(wěn)定，內環(huán)實現輸入電流整形，使之成為與輸入電壓同相位的標準正弦波。</p><p>　　現介紹Boost型功率因數校正電路的基本原理[9]。圖3-1所示為一個Boost有源功率因數校正器的原理圖。主電路由單相橋式整流器和DC/DC變換器組成，控制電路包括基準電壓Vref及電壓誤差

77、放大器VA、乘法器M、電流誤差放大器CA、脈寬調制器和驅動器等組成，負載可以是一個開關電源。</p><p>　　Boost型APFC的工作原理如下：主電路的輸出電壓與基準電壓值比較后，輸入給電壓誤差放大器，電壓誤差放大器的輸出和整流后的輸入電壓共同加到乘法器中，乘法器的輸出作為電流反饋控制的基準值，與檢測到的輸入電流信號進行比較后，輸入到電流誤差放大器并加到PWM及驅動器，來控制開關S的通斷，從而使輸入電流（即

78、電感電流）與整流輸入電壓波形基本同相，使電流諧波大為減少，提高了輸入端功率因數，同時保持輸出電壓穩(wěn)定。</p><p>　　3.2　有源功率因數電路的參數設計</p><p>　　本文所研究的單相Boost有源功率因數校正器，其技術指標如下：</p><p>　　輸入交流電壓Vin：80~270V</p><p><b>　　輸入頻

79、率：50Hz</b></p><p>　　輸出直流電壓V0：400V</p><p>　　開關頻率f5：100KHz</p><p>　　輸出功率p：500W</p><p>　　功率因數PF：>0.99</p><p>　　3.2.1　主電路設計</p><p><b&

80、gt;　　1．升壓電感 </b></p><p>　　電感器在線路中起著能量的傳遞、儲存和濾波等作用，并決定了輸入端的高頻紋波電流總量，因此按照限制電流脈動最小的原則來確定電感值?？紤]最差的情況:輸出功率最大，輸入電壓最低。此時，輸入電流最大，紋波也最大，為了保證在這種情況下輸入電流的紋波仍然滿足要求，電感的設計應該在輸入電壓最低的點進行計算。</p><p><b>

81、;　　設最大峰值電流為：</b></p><p><b>　　式中，令 </b></p><p>　　設定允許的電感電流的最大紋波 L通常選擇在最大峰值線路電流的20%左右，即允許的電感電流由20%的波動，由 </p><p>　　確定電感電流出現最大峰值時的占空比，當輸入電壓達到峰值的時候，輸入電流也應該達到峰值，此時的電流紋波最

82、大，因此，應在最小輸入電壓的峰值點處計算占空比，有</p><p><b>　　計算升壓電感值為：</b></p><p>　　本設計中L實取值為0.5mH。 </p><p><b>　　2．輸出電容</b></p><p>　　本設計以滿足維持時間要求為準則。維持時間是指在輸入電源被關閉之后，輸

83、出電壓仍然保持在規(guī)定范圍內的時間長度。維持時間是以下電參量的函數：儲存在輸出電容器中的能量總和、負載功率、輸出電壓及能使負載工作的最小電壓。所以用維持時間來確定輸出電容值的計算公式為：</p><p><b>　　取為36ms，則</b></p><p><b>　　電容C取值為 。</b></p><p><b&g

84、t;　　3．電流取樣電阻</b></p><p>　　通常有兩種電流傳感檢測方法，即在變換器接地線返回端串聯一個取樣電阻來檢測輸入電流或用兩個電流互感器。采用取樣電阻檢測輸入電流要比電流互感器成本低，它主要使用于功率和輸入電流較小的場合。故本設計選擇取樣電阻來檢測輸入電流的方法。電流取樣電阻 上的壓降 作為輸入電流取樣信號，通過電流環(huán)的調節(jié)作用，使輸入電流呈正弦波形。電流取樣電阻 上的電壓的典型值為

85、。</p><p><b>　　求出 </b></p><p>　　電流取樣電阻值 選取0.15 </p><p>　　峰值檢測電壓的實際值 。</p><p>　　4．功率開關管和二極管</p><p>　　當功率開關管導通時，二極管反向截止，流經開關管的電流為電感電流，二極管上的反向電壓為輸出

86、電壓；當功率開關管關斷時，二極管正向導通，開關管上的電壓為輸出電壓，流經二極管的電流為電感電流。因此在選擇功率開關管和二極管時，其額定電壓必須大于輸出電壓，額定電流必須大于電感電流的最大值。電壓考慮1. 2倍的安全裕量，電流考慮1. 5倍的安全裕量，則</p><p>　　3.2.2　控制電路的設計</p><p><b>　　1.控制電路的建模</b></p&

87、gt;<p>　?。?）電流調節(jié)器的建模</p><p>　　電流控制環(huán)由電流誤差放大器、PWM比較器和功率級組成，電流環(huán)的結構圖如圖3-2所示。圖中 是電流誤差放大器的傳遞函數， 是脈沖寬度調節(jié)器PWM的傳遞函數， 表示主電路上 兩端電壓受占空比D控制的小信號傳遞函數[12]。</p><p><b>　　功率級傳遞函數：</b></p>

88、<p>　　式中為取樣電阻上的電壓，為功率電路輸出電壓，L為功率電路電感。</p><p>　　圖3-2　電流控制環(huán)結構</p><p>　　PWM比較器的傳遞函數為：</p><p>　　其中 為振蕩器斜坡電壓峰峰值。UC3854中的 為5.2V。</p><p>　　電流誤差放大器及其補償網絡的結構圖如圖3-3所示，根據虛短、

89、虛斷的原理，可求其傳遞函數為：</p><p><b>　　式中 , , </b></p><p>　　圖3-3　電流誤差放大器</p><p>　?。?）電壓調節(jié)器的建模</p><p>　　電壓環(huán)由電壓誤差放大器和升壓級組成，結構圖如圖3-4所示。</p><p>　　圖3-4　電壓環(huán)結構&l

90、t;/p><p>　　電壓誤差放大器如圖3-5所示，傳遞函數為：</p><p>　　圖3-5　電壓誤差放大器</p><p>　　式中 </p><p>　　按照輸入功率表示的升壓級傳遞函數為</p><p>　　式中，是包括乘法器、除法器、平方器在內的升壓級增益， 為平均輸入功率， 為輸出電容， 是電壓誤

91、差放大器的輸出電壓范圍（=4V）是輸出直流電壓， 。</p><p>　　2.電流調節(jié)器補償網絡參數設計</p><p>　?。?）開關頻率點的電流誤差放大器增益</p><p>　　計算因電感電流下斜在檢測電阻上的電壓，然后除以開關頻率，用 代替電流互感器（ ），方程式為：</p><p>　　即 該電壓必須等于 的峰峰值，即定時電容上的電

92、壓（5.2V）。則誤差放大器的增益為： 。</p><p>　　（2）反饋電阻器，設 等于 </p><p><b>　　。</b></p><p>　?。?）電流環(huán)穿越頻率 </p><p>　　代入數值得 =1.58kHz</p><p>　?。?）零點補償電容 </p><

93、;p>　　考慮到電流環(huán)路的截止頻率設在15.8kHZ，相位容限為，零點頻率等于截止頻率，即在環(huán)路的截止頻率值頻率設零點，則零點補償電容：</p><p><b>　　，取620 。</b></p><p>　　（5）極點補償電容 </p><p>　　極點頻率至少高于功率開關切換頻率的一半，即極點必須在以上，則極點補償電容為：</p

94、><p><b>　　，取。</b></p><p>　　3．電壓調節(jié)器補償網絡參數設計</p><p><b>　?。?）輸出紋波電壓</b></p><p>　　主電路的輸出紋波電壓由下式給定，式中是二次諧波紋波頻率[13]：</p><p>　　（2）放大器的輸出紋波電壓和

95、增益</p><p>　　為了使 減小到電壓誤差放大器輸出所允許的紋波電壓，應按如下關系設置電壓誤差放大器在二次諧波頻率點上的增益值：</p><p>　　按規(guī)定取交流輸入電流的三次諧波為3%，電壓誤差放大器輸出端占1.5%，且該端口的電位對于UC3854而言， ，故 。</p><p>　　（3）反饋網絡的數值</p><p>　　已知，可

96、求出電壓誤差放大器反饋回路中的元件 值，</p><p>　　式中 為工頻的二次諧波頻率， 的值是一個適當的任意值，一般取 。</p><p>　　（4）設置直流輸入電壓，利用 ，可得</p><p><b>　　，取10 。</b></p><p><b>　　（5）求出極點頻率</b></

97、p><p><b>　　（6）求 </b></p><p><b>　　3.3　本章小結</b></p><p>　　本章確定了本文的研究對象為平均電流控制的Boost型APFC電路，并對主電路的參數進行了設計，對控制電路的主要環(huán)節(jié)進行了建模和參數計算，至此完成了基于UC3854控制芯片Boost型APFC系統(tǒng)主電路、控制電路

98、及外圍電路的設計，我們可以依照這些參數設計APFC的仿真模型。</p><p>　　第4章　APFC電路的仿真分析</p><p>　　4.1　MATLAB簡介</p><p>　　MATLAB是一種以矩陣為基礎的交互式程序計算語一言。它采用開放性開發(fā)的思想，在圖形表達、解決科學和工程上復雜的數學問題、自動控制以及信號和圖像處理方面具有強大的功能，己發(fā)展成為適合各種

99、平臺的多功能的大型軟件。由于操作方便、使用簡單，因此收到越來越多用戶的喜愛和歡迎，成為國內外教育教學和科學研究的最常用的軟件之一。</p><p>　　1990年基于框圖的仿真平臺Simulink首先在Mathworks軟件公司面世。Simulink是一中實現動態(tài)系統(tǒng)建模仿真和分析的集成軟件包，包含了線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的仿真。用simuhnk對系統(tǒng)和電路進行仿真研究，能彌補非線性化帶來的問題。Simu

100、link仿真環(huán)境也成工具箱，包含Simulink仿真平臺和系統(tǒng)仿真模型庫兩部分。在Simuhnk仿真環(huán)境下，可以用點擊拖動鼠標的方式來繪制和組織系統(tǒng)電路來完成仿真研究，同時系統(tǒng)的函數和電路元器件都可以用框圖來表達，框圖之間的連線則表示了信號流動的方向。</p><p>　　為了驗證第三章所設計APFC 電路對電流的校正效果，本文采用 Matlab6.5 平臺進行了仿真驗證。Matlab 是美國 MathWorks

101、 公司推出的一種基于矩陣計算的科學計算軟件，它采用了開放性開發(fā)的思想，在數值計算、圖形處理、數據分析及工程設計仿真等方面的應用極其廣泛，它內建了豐富的庫函數，具有編程效率高、程序設計靈活、圖形功能強等特點。已經發(fā)展成為適合多學科、多種工作平臺的功能強大的大型軟件。Matlab產品是集數值計算、高級繪圖及可視化、高級程序開發(fā)語言和動態(tài)系統(tǒng)建模仿真于一體的開發(fā)環(huán)境。被廣泛應用于包括信號處理與圖象處理、控制系統(tǒng)設計、電力系統(tǒng)設計、財務、醫(yī)藥等

102、諸多領域。Matlab 的一大特性是有眾多的面向具體應用的工具箱，包含了完整的函數集，用于對信號圖象處理、控制系統(tǒng)設計、電力系統(tǒng)分析設計等。Matlab 工具箱是一系列專用的函數庫，解決特定領域的問題，工具箱是開放的可擴展的，可以根據特殊的需要開發(fā)自己的算法。Matlab 提供的 Simulink 是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)。形成了一系列規(guī)模龐大、覆</p>

103、<p>　　Matlab/Simulink 中的電力系統(tǒng)工具箱SPB中包括了電路仿真所需的各種元件模型，包括有電源模塊、基礎電路模塊、電力電子模塊、電機模塊、連線器模塊、檢測模塊以及附加功率模塊等七種模塊庫。每個模塊庫中包含各種基本元件模型，如電源模塊中有直流電壓、電流源，交流電壓源、電流源，受控電壓源、電流源等五種電源模型；電機模塊庫中包含了各種電機模型，如異步電動機、同步電動機、水磁同步電動機等；電力電子模塊庫包含了理想

104、開關元件、晶閘管、功率場效應管、可關斷晶閘管等多種功率開關元件模型。只需將模塊中的元件拖到 Simulink 窗口中，通過參數設置對話框設置參數就可以實現電力電子電路的仿真。本章采用 Matlab/Simulink中的電力系統(tǒng)工具箱模塊對所設計的 APFC 電路進行了仿真。</p><p>　　4.2　APFC主電路的仿真</p><p>　　4.2.1　主電路的原理圖</p>

105、<p>　　采用狀態(tài)方程法來推導Boost電路的數學模型。圖4-1為基本Boost型變換器的主電路。為了確定開關管和二極管的工作狀態(tài)，引入二進制變量A，當開關S導通時，A=1；當開關S截止時，A=0。這樣，變量A就可以代表開關管和二極管的狀態(tài)，它是二進制變量，取值{0，1}[14]。</p><p>　　圖4-1　基本Boost型變換器電路</p><p>　　當開關管S導通

106、時，A=1，則</p><p>　　，即 (4-1)</p><p>　　，即 (4-2)</p><p>　　當開關管S截止時，A=0，則有</p><p>　　/ (4

107、-3)</p><p>　　，即 (4-4)</p><p>　　將方程（4-1）~（4-4）聯立，運用二進制變量A，由邏輯代數運算規(guī)則，可得到一個開關周期內的狀態(tài)方程。</p><p>　　即得Boost主變換電路的狀態(tài)方程： (4-5)

108、 (4-6) </p><p>　　4.2.2　主電路的Simulink模型 </p><p>　　根據式（4-7）、（4-8）運用MATLAB里的Simulink模塊[15]16]，即可建立Boost變換電路的仿真模型，如圖4-2所示，這里輸入變量是、A、R，輸出是、。</p>&l