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单相功率因数校正的仿真研究

学号14051400645

毕业设计（论文）

题目：

单相功率因数校正电路的仿真研究

作者王任　届别2009届

系别机械与电气工程系专业自动化

指导教师荣军职称讲师

完成时间2009年5月21日

摘要

现代开关电源技术所面临的最重要课题之一就是功率因数校正（PowerFactorCorrection,PFC）。

在各种单相PFC电路拓扑结构中，Boost升压型功率因数校正电路由于具有主电路结构简单，变换效率高，控制策略易实现等优点而得到广泛应用。

本文叙述了有源功率因数校正（APFC）的原理和方法，对硬开关和软开关主电路的主要元器件参数进行设计，并在软件环境下搭建了功率因数校正电路Boost变换器与Boost-ZVT变换器的仿真模型，分别对输入电压与输入电流、开关管驱动波形、输出电压与输出电流进行仿真，并对仿真结果进行分析和比较，指出了它们各自的优点与缺点。

关键词：

开关电源；功率因数校正；OrCAD/PSpice仿真

ABSTRACT

OneofthemostimportantissueinmodernswitchingpowertechnologyisthePowerFactorCorrection（PFC）.Amongavarietyofsingle-phasePFCcircuit,Boostboostpowerfactorcorrectionhasbeenwidelyusedasaresultofthesimplicityofthemaincircuitstructure,highconversionefficiencyandeasycontrolstrategyachievement.ThispaperconsiderstheprincipleandmethodoftheActivePowerFactorCorrection（APFC）anddesignstheparametersofmaincircuitcomponentsofhardswitchingandsoftswitching.Meanwhile,itestablishsthePFCBoostconvertercircuitandtheBoost-ZVTconvertersimulationmodelbyutilizingsoftware.Moreover,itsimulatesthewaveformofinputvoltageandcurrenttogetherwiththedrivewaveformoftheswitchtubeandthewaveformofoutputvoltageandoutputcurrentrespectively.Atlast,itanalyzesthesimulationresults,thenmakesacomparison,pointingouttheiradvantagesanddisadvantagesrespectively.

Keywords:

SwitchingPower;PFC;OrCAD/PSpicesimulation

1绪论

1.1开关电源概述

电源是所有用电设备的心脏，为设备提供动力。

开关电源处于电源技术的核心地位，近十年有了突飞猛进的发展.按目前的习惯，开关电源专指电力电子器件工作在高频开关状态下的直流电源。

目前，应用最为广泛的直流电源又三类:

线性电源、开关电源和相控电源。

线性电源是开关电源的前身[1]。

各种电子装置、许多电气控制设备的工作电源都是直流电源。

在开关电源出现之前，这些装置的工作电源都采用线性电源。

由于和线性稳压电源相比，开关电源在绝大多数性能指标上都具有很大的优势，因此，目前除了对直流输出电压的纹波要求极高的场合以外，开关电源己全面取代了线性稳压电源。

另外一种常用的直流电源是相控电源。

它的主要优点是电路简单控制方便，主要的缺点是体积大，重量重，输出滤波电感大，另外，由于其频率低，控制的响应速度很慢。

因此，只有在很大功率的应用场合才会采用。

近年来，开关电源已广泛应用于电力，通信，交通等各个领域，并取得了显著的经济效益。

随着开关器件以及磁性材料性能的不断改进，开关频率逐步提高，功率逐步增大，开关电源的性能也更加优良。

相关技术的发展和开发软件的改进，也使开关电源的研发水平大大提高。

然而大多数开关电源是通过整流器和电力网相接的，在普通电力电子装置中，整流电路通常采用不控整流后接电容滤波或是晶闸管相控整流。

整流器-电容滤波电路是一种非线形元件和储能元件的组合。

虽然输入交流电压是正弦的，但输入电流是仅在交流电压波顶附近区域导通，滤波电容被整流后的电流充电，因此输入交流电严重畸变，呈脉冲状。

这种电流的基波是和输入正弦电压同相位的，故产生有功功率，但交流波形中含有较大的高次谐波，这些高次谐波与输入正弦电压既不同频也不同相。

因此功率因数很低，最高只有0.8左右。

输入电流含有大量谐波，一方面使谐波噪声水平提高，同时在AC/DC整流电路的输入端必须增加滤波器，进而造成成本、体积、重量的增加。

另一方面，大量的谐波倒流流入电网，造成对电网的谐波“污染”。

基于限制电流畸变和谐波“污染”，是电磁环境更干净的宗旨，一些世界学术组织和国家已经颁布和实施了一些输入电流谐波的限制标准。

例如国际电工委员会制定了如IEC555-2等法规，欧洲也制定了相应的IEC000-3-2标准。

我国于1994年颁布了《电能质量功用电网谐波》标准GB/T1449-93。

因此提高功率因数在通信开关电源应用中具有重大意义：

（1）防干扰：

核心是限制电网谐波电流成分。

（2）可以减少输入电流的谐波成分，从而降低对其它设备的干扰。

（3）可以提高电网设备的利用率。

（4）可以提高电网设备的安全性。

由此可知：

有源功率因数校正技术在开关电源中占据着及其重要的位置，它能消除谐波污染，实现各种电源装置网侧电流正弦化，使功率因数接近于1，极大地减少电流的高次谐波，消除无功损耗。

能够在大力倡导绿色电源的背景下，提高开关电源的功率因数已经成为国内开关电源研究的主要方面。

1.2功率因数校正概述

电源整机的谐波干扰和对电网的污染问题，很早以前就提出来了。

但当时的电源数量少，它们的谐波干扰比较小，因而没有引起普遍的注意。

近二十几年来，随着现代经济和技术的高速发展，越来越多的电气设备加入电网，产生出大量的谐波分量又经电网串入其他电气设备，对计算机等重要电子设备的稳定工作产生严重的电磁干扰。

由于传统的稳压电源数量大增，其输入级不控整流器和高压大滤波电容产生的严重谐波电流干扰，已成为强噪声发射源，危害了电网的正常工作，使220V电网输送线路上损耗剧增，浪费了大量的电能[1]。

开关电源的输入级峰值电流很高，使网侧的功率因数下降到0.5～0.65，即视在功率远大于有用功率，电网质量严重受损。

所以发达国家率先采用了多种功率因数校正（PFC）方法，来实现“绿色能源”革命，并强制推行了国际标准IEC555-2、EN60555-2等，限制电子生产厂家入网电气设备的电流谐波值。

功率因数校正电路（PFC）分为有源和无源两种。

无源校正电路通常由大容量的电感、电容和工作于工频电源的整流器组成。

虽然采用无源功率因数校正技术得到的功率因数不如有源校正电路高，但仍然可以使功率因数提高到0.7～0.8，因而这种技术在中小功率电源中被广泛采用。

本文主要讨论有源功率因数校正方法。

有源校正电路自20世纪90年代以来得到了迅速推广。

它是在桥式整流器与输出电容滤波器之间加入一个功率变换电路，使功率因数接近1。

有源校正电路工作于高频开关状态，它们的体积小、重量轻，比无源校正电路效率高。

1.3软开关单相升压功率因数校正

目前，升压电路被广泛应用于单相整流电源的功率因数校正（PFC）技术中。

传统的升压电路工作在硬开关状态，其特点是工作在不连续导电模式时，电感电流峰值正比于输入电压，输入电流波形跟随输入电压波形，因而控制简单；缺点是开关不仅要通过较大的通态电流，而且关断较大的峰值电流会引起很大的关断损耗，同时还会产生严重的电磁干扰。

因此，在升压电路中采用软开关技术不但可以提高开关频率，还能解决开关开通与关断损耗、容性开通、感性关断和二极管反相恢复4大难题[2]。

然而，在软开关技术方面前人已经提出好几种电路，如谐振型转换器、准谐振转换器和零开关PWM转换器等，虽然在单相功率因数校正电路中采用这些电路可以提高功率因数和系统效率，但总体上并不理想。

工作在软开关状态，特点是工作在连续导电模式，优点是功率开关管开通损耗和二极管的反向恢复损耗都大大降低，较之采用传统硬开关控制技术的功率因数校正提高了一大步。

通过电路仿真和实际电路设计，发现都可以很好地达到功率因数校正的目的，而且显著减少了功率管的开关损耗，抑制了电磁干扰，可获得较高的效率。

升压谐振转换器（包括准谐振和多谐振转换器）的谐振电感和谐振电容一直参与能量传递，而且它们的电压和电流应力很大。

而零开关PWM转换器中，虽然谐振元件不是一直工作在谐振状态，但谐振电感却串联在主功率回路中，它的损耗较大，同时，开关管和谐振元件的电压应力和电流应力与准谐振转换器完全相同，为此提出了零转换PWM转换器。

它可分为零电压转换PWM转换器（升压ZVT-PWM）和零电流转换PWM转换器（升压ZCT-PWM）。

这类转换器是软开关技术的又一飞跃。

其特点是工作在PWM方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一段时间，从而实现开关管的软开关；其它时候不工作，从而减小了辅助电路的功耗。

而且，辅助电路并联在主功率回路中，辅助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流应力，主开关管的电压和电流应力较小。

2有源功率因数校正APFC的基本工作原理与应用

2.1功率因数校正（PFC）的定义及意义

2.1.1功率因数校正的定义

功率因数（PF）是指交流输入有功功率（P）与输入视在功率（S）的比值。

即

（2-1）

式中：

——交流输入市电的基波电流有效值；

——交流输入市电电流有效值；

——交流输入市电电流的波形畸变系数；

——交流输入市电的基波电压与基波电流之间的相移因数。

因此功率因数PF又可定义为失真因数与相移因数之乘积。

假设输入电流无谐波时

或

，故上式变为

[7]。

功率因数校正的基本原理，就是从电路上采取措施，使电源输入电流实现正弦波，并与输入电压保持同相。

可以证明，功率因数PF与电流总谐波失真THD的关系为：

（2-2）

由此可知，要提高PF就需要减少THD。

2.1.2功率因数校正的意义

由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路应用十分普遍，价格低廉、可靠性高是它的突出优点，但是它对电网的谐波污染却十分严重，由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路主要存在如下的问题。

1.启动时产生很大的冲击电流，约为正常工作电流的十几倍至数十倍。

2.正常工作时，由于整流二极管导通角很小，形成一个幅度很高的窄脉冲，电流波峰因数（CF）高、电流总谐波畸变率（THD）通常超过100%，同时引起电网电压波形的畸变。

3.功率因数（PF）低，一般约为0.5～0.6。

开关电源的输入端通常采用如图2-1所示的由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路，输入220V交流市电整流后直接接滤波电容，以得到波形较为平滑的直流电压。

但是由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路是一种非线形元件和储能元件的组合，虽然交流输入市电输入电压Vi的波形是正弦的，但是整流器件的导通角不足180

，只有很小的导通角，导致输入交流电流波形严重畸变，输入交流电流波形如图2-2所示的脉冲状。

图2-1电路图图2-2常规开关电源输入电压电流波形

由此可见，大量应用整流电路，使供给电网产生了严重畸变的非正弦电流，输入电流中除含有基波外，还含有很多的奇次、高次谐波分量，这些高次谐波倒流入电网，引起严重的谐波“污染”，造成严重危害。

其主要危害[10]有：

1.产生“二次效应”。

即谐波电流在输电线路阻抗上的压降会使电网电压（原来是正弦波）发生畸变，影响各种电气设备的正常工作。

2.谐波会造成输变电线路故障，使变电设备损坏。

例如，线路和配电变压器过热、过载。

在高压远距离输电系统中，谐波电流会使变压器的感抗与系统的容抗发生LC谐振；在三相电路中，中线电流是三相三次谐波电流的叠加，因此，谐波电流会使中线电流过流而损坏，等等。

3.谐波还会影响用电设备正常工作。

例如，谐波电流对电机除增加附加损耗外，还会产生附加谐波转矩、机械振动等，这些都严重影响电机的正常运行；谐波可能使白炽灯工作在较高的电压下，这将导致灯丝工作温度过高，缩短灯丝的使用寿命，等等。

4.谐波会使测量仪器附加谐波误差。

常规的测量仪表是设计并工作在正弦电压、正弦电流波形情况下的，因此，在测量正弦电压和电流时能保证其精度，但是，这些仪表用于测量非正弦量时，会产生附加误差，影响测量精度。

5.谐波会对通信电路造成干扰。

电力线路谐波电流会通过电场耦合、磁场耦合和共地线耦合对通信电路造成影响。

综上所述，为了减少AC/DC变流电路输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波“污染”，以保证电网供电质量，提高电网的可靠性；同时也为了提高输入端功率因数，以达到节能的效果，必须限制AC/DC电路的输入端谐波电流分量。

由此可知提高功率因数在AC/DC开关电源应用中具有重大的意义。

2.2有源功率因数校正技术的研究现状

PFC技术的主要方法可以分为无源PFC技术和有源PFC技术。

无源PFC技术采用无源器件，如电感和电容组成的谐振滤波器，实现PFC功能，主要优点：

简单、成本低、可靠性高及EMI小等。

主要缺点：

难以得到高功率因数，低频时元器件尺寸和重量大，工作性能与频率、负载变化和输入电压变化有关，电感和电容间有大的充放电电流等。

有源PFC技术的基本原理是利用控制电路强迫输入交流电流波形跟踪输入交流电压波形而实现交流输入电流的正弦化，并与输入电压同步。

其中关键电路是乘法器和除法器，有源功率因数校正电路的特点是：

功率因数高，PF可达0.99以上；总谐波畸变率低，THD＜10%；交流输入电压范围宽，交流输入电压范围可达AC90～270V；输出电压稳定；所需磁性元件小。

主要缺点是：

电路复杂，可靠性下降，EMI高，成本增加，效率会下降。

有源技术已经广泛应用在AC/DC开关电源、UPS电源、电子镇流器、程控交换机电源等电子仪器中[14]。

2.3功率因数校正实现方法

功率因数校正的基本原理，就是从电路上采取措施，使电源输入电流实现正弦波，并与输入电压保持同相。

关键在于实现功率因数为1的重要目标，即公式

。

实现或者基本实现功率因数校正的方法有多种，有源校正技术，特别是用于开关电源的单相升压式高频有源功率因数校正电路，具有高的功率因数值

低频谐波失真

电源效率高达90%以上，输出电压

稳定（升至400V左右），适用于中大功率电源（100W～2000W）,且适应宽输入电压（90～270V），磁性元件小，可省略或简化庞大的原输入级滤波器[1]。

在电源输入级插进功率因数校正网络，就是通过适当的控制电路不断调节输入电流波形，使其逼近正弦波，并与输入的电网电压保持同相。

2.4有源功率因数校正技术的分类

有源功率因数校正变换电路有升压（Boost）、降压（Buck）、升降压（Buck-Boost）和回扫四种类型[3]。

在多数情况下，开关电源中，以升压型最为流行。

它的主要优点是：

第一，能有效地抑制输入电源电流的谐波失真，完全可以达到甚至低于谐波电流畸变指标要求；第二，能将系统功率因数提高到几乎等于1的水平，完全能够满足世界各国对功率因数和总谐波含量的技术标准要求；第三，输出低纹波含量的直流电压，能确保开关电源的电流波峰系数低于1.5；第四，当输入交流电压在较大的范围内波动时，实现电压宽带输入（85～265V），而输出电压可得到稳定的直流电压；第五，消除了浪涌电压及尖峰电压对电路元件的冲击，提高了开关电源的可靠性和安全性，有力延长了开关电源的使用寿命。

APFC可以采用不同的方法进行控制。

从变换电路的工作频率分为固定频率和可变频率两种；从电流控制方法上分有峰值电流控制、平均电流控制和滞环电流控制三种，按电感扼流圈有无存储电流分，有连续传导模式（CCM）和不连续传导模式（DCM）两种，前者用于输出功率较大的场合，后者适用于200W以下的中功率APFC变换器。

CCM相对DCM其优点为：

①输入和输出电流纹波小、THD和EMI小、滤波容易；②RMS电流小、器件导通损耗小；③适应于大功率应用场合。

在开关控制模式上又分为零电流开关（ZCS）和零电压开关（ZVS）两种类型。

此外，有源功率因数的电流控制方法基本上有三种，即峰值电流控制、滞环电流控制以及平均电流控制。

下面就假设工作模式为CCM，来介绍一下三种方法的特点。

1.峰值电流法是检测峰值电流，采用恒定的开关电源工作频率，只有稳定的工作频率才能有效地、快速地检测出峰值电流，并将这一电流“削尖”、均化来控制开关管，对PWM进行调节，使输入电流波形与输入电压保持同步，从而提高功率因数。

由于输入电流被“削尖”，在电路上对输入电流波形需要进行斜率补偿。

2.滞环电流法是检测APFC电路中电感上的电流，当电感电流达到一定值时，开关管开始导通；电感电流下降到一定值时，开关管陡然截止，它的控制方式是利用工作频率改变来控制开关管的导通和截止。

一般设计输出滤波电路时，按最低工作频率考虑，所以，开关电源的体积和重量是最小的，工作损耗最小。

3.平均电流法是开关电源和电子镇流器对有源功率因数校正用得最多的一种方法。

THD值小，对噪声不敏感，电感电流峰值与平均值之间的误差小，具有恒定的工作频率，可以任意拓扑各种控制电路，输入电压可以随便调节。

这中方法的缺点是控制电路比较复杂，需要增添电流误差放大器。

3Boost变换器功率因数硬开关校正电路的仿真

3.1主电路的设计及工作波形图

本节采用Boost变换器功率因数校正电路，其主电路设计图及工作波形图如图3-1和3-2所示。

图3-1Boost变换器主电路图

图3-2Boost变换器工作波形

3.2Boost变换器基本原理

分析Boost变换器电路的工作原理时，首先假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。

当Tr处于通态时，整流后得直流电压向电感L充电，充电电流基本恒定为I1，同时电容C上的电压向负载R供电，因C值很大，基本保持输出电压u0为恒值，记为U0。

设Tr处于通态的时间为ton，此阶段电感L上积蓄的能量为EI1ton。

当Tr处于断态时E和L共同向电容C充电，并向负载R提供能量。

设Tr处于断态的时间toff，则在此期间电感L释放的能量为（U0-E）I1toff。

当电路工作于稳态时，一个周期T中电感L积蓄的能量与释放的能量相等，即

（3-1）

化简得

（3-2）

上式中T/toff≥1，输出电压高于电源电压，故称该电路为升压斩波电路，也称之为boost变换器（BoostConverter）。

升压斩波电路之所以能使输出电压高于电源电压，关键有两个原因：

一是L储能之后具有电压泵升的作用，二是电容C可将输出电压保持住。

在以上分析中，认为Tr处于通态期间因电容C的作用使得输出电压U0不变，但实际上C值不可能无穷大，在此阶段其向负载放电，U0必然会有所下降，故实际输出电压会略低于理想结果，不过，在电容C值足够大时，误差很小，基本可以忽略[6]。

3.3主电路主要元器件的参数设计

3.3.1高功率因数校正硬开关AC/DC变换电路技术指标

输入电压：

单相交流220±10%V

输入频率：

50Hz

输出电压：

直流400V

最大输出功率：

3KW

功率因数：

99%

开关频率：

f=100kHz

3.3.2升压电感L的设计

电感将决定在输入侧高频纹波电流的大小，且它的值与纹波电流的大小有关。

电感值由输入侧的交流电流峰值来决定。

由于最大的峰值电流出现在线电压为最小值,负载最大时,所以有：

（3-3）

本设计中，转换器的输入线电流峰值为21.43A，出现在交流电压为198V时。

假如允许电感电流有20%的电流脉动，则有：

（

是指电流纹波峰对峰值）（3-4）

在升压型转换器中最大纹波电流发生在占空比为50%时，即在升压比为M=V0/Vin=2的时候。

电感电流的峰值一般不会发生在这个时候，因为它的峰值是由正弦控制信号的峰值所决定的。

电感值是由半波整流最低输出电压时的电流峰值在此电压时的占空比D以及开关频率所决定的（此处Vin（pk）是电网电压最低时整流桥输出电压的峰值），其关系式如下：

时的占空因数：

（3-5）

计算升压电感：

（3-6）

为了方便起见，电感值被四舍五入而以整数0.2mH代替。

3.3.3输出电容CO的设计

PFC电路的输出电容的选择主要应考虑:

输出电压的大小及纹波值，电容允许流过的电流值，等效串联电阻的大小，容许温升等众多因素。

此外，稳压电源还应要求在输入交流电断电的情况下，电容容量足够大以保证一定的放电维持时间。

本文以保持时间来确定输出电容值，保持时间是指在输入电压关断后，输出电压能够维持正常输出值的时间长度，典型保持时间为

t为15～50ms。

满负载功率为3kW，电容电压在此期间允许的跌落为100V，输出电容由容许的输出最大纹波电压决定，输出纹波电压频率为2倍的基频率。

本设计输出的范例里，输出电容如下式所述：

（3-7）

式中：

——负载功率

——电容维持时间，取40ms

——输出电压

——维持负载工作的最小电压

3.4主电路的仿真与分析

为了验证本章节主电路设计的可行性和参数的选择的正确性，本节利用OrCAD/PSpice软件对该主电路进行仿真和分析。

图3-3为Boost变换器主电路仿真模型图。

最后的仿真及实验参数为：

输入电压Vin为单相220V，升压电感L为0.2mH，输出滤波电容CO为3429μF，开关频率f为100kHz。

图3-3Boost变换器主电路仿真模型

下文是对上述仿真模型进行仿真后的各类仿真波形及相应分析：

图3-4输入电压与输入电流波形

图3-4为输入交流电压和电流波形图，从图中我们清楚的看到输入电流很好跟随交流输入电压，也能看出是完整的正弦波，无畸变，实现了功率因数校正的目的。

图3-5开关管Tr驱动波形、漏源电流波形和电压波形图

图3-5为开关管Tr驱动波形Vgs，漏源电流波形Ids以及漏源电压Vds仿真波形图。

图中我们可以看到当开关管有驱动电压时，电流上升，而电压为零，无驱动电压时，电流为零，电压上升。

图3-6输出电流与输出电压波形图

图3-6是输出电流与输出电压波形图，由于硬开关开通与关断有功率损耗，只能在开关频率较低的情况下工作，而开关频率为100KHz工作下损耗剧增，一般不会在实际电路中应用。

本文只为对比硬开关与软开关的特性，故设计相同的技术指标，可以从波形图看出输出电压只能接近400V，不能很好的达到所要求的技术指标。

4Boost型ZVT-PWM功率因数软开关校正电路的仿真

4.1主电路的设计及工作波形图

本节采用单相有源高功率因数校正电路，所选用的变换器为BoostZVT-PWM变换器，其主电路设计图及工作波形图如图4-1和图4-2所示