开关电源有源功率因数校正电路的设计与仿真研究Word文件下载.doc

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Accordingtotheprincipleandthediscussionofthesingle-phaseactivepowercorrection,concludingdifferentstructuresofthemaincircuitandmethodsofthecontrollers,thePFCsystem,whichadoptsBoostpowerconvertercircuitandAverageCurrentModecontrolschemeisindicatedasthedevelopingdirectionofPFCandregardedasPFCsystemstructure.

Then,thestatedifferentialequationsofidealBoostconverterandthegeneraltransferfunctionsofPWMconverterarededucedandthesimulationmodelsofidealconverterareshowedusingMATLAB.

Besides,wedesignapracticalcircuitwiththefunctionofPFC,givingdiscretedesignstepsandthecalculationofthecircuitparameters.

Finally,wecanconcludethatthePFCsystemwhichadoptsBoostpowerconvertercircuitandAverageCurrentModecontrolschemecanachievegoodperformance,whichcanbeusedwidelyinthefuture.

Keywords:

PFC（powerfactorcorrection）;

Boostconverter;

Simulation

目　录

第1章　绪　论 1

1.1课题研究意义 1

1.2功率因数 1

1.3功率因数校正方法 2

1.4本文所做的主要工作 4

第2章　有源功率因数校正技术 5

2.1APFC原理 5

2.2　APFC技术分类 6

2.3　有源功率因数校正的主电路拓扑 6

2.4　有源功率因数校正技术的工作模式 7

2.5　有源功率因数校正技术的控制策略 9

第3章　APFC电路的设计 14

3.1　APFC电路的选择 14

3.2　APFC电路的参数设计 15

3.3　本章小结 20

第4章　APFC电路的仿真分析 21

4.1　MATLAB简介 21

4.2　APFC主电路的仿真 22

4.3　Boost型APFC电路的仿真 25

4.4　APFC电路的优化设计 30

4.5　本章小结 33

结　论 34

参考文献 35

致　谢 36

第1章　绪　论

1.1课题研究意义

随着电子科学技术的发展和应用，电子设备的种类越来越多，其中电源已经成为这些电子设备不可缺少的一部分。

同时，它们对电源的要求也越来越高。

近年来，开关电源以效率高，功率密度高，电压调整率高，体积小，重量轻等诸多优点而在电源领域中占据主导地位。

然而，开关电源多数是通过整流器与电力网相接的，经典的整流器是由二极管或晶闸管组成的非线性电路。

这样就造成开关电源的输入阻抗呈容性，网侧输入电压和输入电流间存在较大相位差，输入电流严重非正弦，并呈脉冲状[1]，故功率因数极低，谐波分量很高，给电力系统带来了严重的谐波污染。

为此，国际电工委员会为各种电子设备制定了相应的谐波标准，我国国内的有关委员会也提出了相应的谐波标准。

传统的整流电路因为谐波远远超标而面临前所未有的挑战。

为了保证开关电源的输入电流谐波能够达到谐波标准的要求，绿化电网环境，功率因数校正（PowerFactorCorrection，PFC）技术已经成为当今电力电子学领域十分活跃和颇具研究价值的热点。

实践表明，在增加开关电源类装置的功率因数，降低电流谐波含量方面，有源功率因数校正（APFC）技术是应用最为广泛和行之有效的方法。

在我国对于电流谐波的要求规范、标准还不健全，有源功率因数校正技术的研究也是方兴未艾，但是它的重要性已经得到了广泛的认可。

总之，在各种用电设备中采用APFC技术来提高功率因数，提高效率，提高可靠性，减少电源的整机成本，以及提高产品的竞争力方面都具有十分重要的意义。

1.2功率因数

功率因数是电源对电网供电质量的一个重要衡量指标。

根据电工学的基本理论，功率因数（PowerFactor）定义为有功功率（P）和视在功率（S）的比值，用公式表示为

（1-1）

式中：

：

输入电流基波有效值；

电网电流有效值；

，其中，，为输入电流各次谐波有效值；

输入电压基波有效值；

输入电流的波形畸变因数；

基波电压和基波电流的位移因数。

称为畸变因数，它表示了基波电流有效值在总的输入电流有效值中所占的比例;

称为位移因数，它反映了输入电流与输入电压之间的相位差。

功率因数是畸变因数和位移因数的乘积，很显然，当输入电流与输入电压是同频同相的正弦波时，有PF=1。

1.3功率因数校正方法

从本质上来讲，功率因数校正技术的目的是要使用电设备的输入端口针对交流电网呈现“纯阻性”，这样输入电流和电网电压为同频同相的正弦波，功率因数为1，不会产生谐波污染问题。

由功率因数的定义和总谐波畸变与功率因数的关系可知，要提高功率因数，有两个途径：

（1）使输入电压、输入电流同相位，也就是使，使相移因数。

（2）使输入电流正弦化，（谐波为零），从而。

综合这两种方法,就可以实现功率因数为1的目标，即。

所以要使THD小,功率因数更高，可以从电路上采取措施，使交流输入电流波形完全跟随交流输入电压波形且同相位，使输入电流波形为纯正弦波。

具体的方法主要有两种：

无源功率因数校正法和有源功率因数校正法[2]。

1.3.1无源功率因数校正法（PassivePowerFactorCorrection）

这一方法是在整流器和电容之间串联一个滤波电感，或在交流侧接入谐振滤波器。

如图1-1所示，它是通过大电感L1来展宽输入电流的导通角，从而实现提高功率因数的目的。

其主要优点是：

简单，成本低，可靠性高，EMI小；

主要缺缺点是：

尺寸，重量大，难以得到高功率因数（一般可提高到0.9左右），工作性能与频率，负载变化及输入电压变化有关，电感和电容间有很大的放电电流。

图1-1无源功率因数校正电路

1.3.2有源功率因数校正法（ActivePowerFactorCorrection）

这一方法是在整流器和负载之间接入一个DC/DC开关变换器，应用电流反馈技术，使输入端电流波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使输入电流接近正弦。

从而使输入端THD小于5%，而功率因数可提高到0.99或更高。

由于在这个方案中，应用了有源器件，故称为有源功率因数校正（ActivePowerFactorCorrection），简称APFC。

主要优点是：

可得到较高的功率因数，如0.97~0.99，甚至接近1，THD小；

可在较宽的输入电压范围（如90~260VAC）和宽频带下工作；

体积，重量小；

输出电压也可保持恒定。

主要缺点是：

电路复杂；

成本高；

EMI高；

效率会有所降低。

如图1-2所示就是最常见的采用升压方法的APFC电路[3]。

由于APFC技术的优点正符合开关电源高频化，绿色化的发展趋势，现在APFC技术已经广泛应用于AC/DC开关电源，交流不间断电源（UPS）及其它电子仪器中。

图1-2简化的有源功率因数校正电路

1.4　本文所做的主要工作

本文在对国内外有源功率因数校正技术分析、研究的基础上，采用理论分析，仿真研究和设计实践的方法对Boost型有源功率因数校正器系统进行深入的研究。

论文主要从以下几个方面展开研究：

（1）概述功率因数校正技术的发展状况及其分类，本课题的主要工作。

（2）在论述有源功率因数校正基本原理的基础上，对有源功率因数校正器几种主电路拓扑进行分析和比较，并总结各自的优缺点；

对有源功率因数校正电路的控制策略进行了详细的分类阐述，总结各自的优缺点及适合的应用场合。

通过分析比较确定本文研究的对象为平均电流控制模式的Boost型功率因数校正技术。

（3）推导理想Boost变换器的状态方程；

建立了Boost变换器的MATLAB数学模型。

（4）设计控制电路的参数，建立电压误差放大器和电流误差放大器的传递函数。

（5）建立Boost型APFC的仿真模型，并比较分析系统在功率因数校正前后的输入电压电流波形和输出电压波形的变化，结果验证本文的方法设计Boost型APFC电路的各参数可获得满意得效果，说明这种设计方法的合理性。

第2章　有源功率因数校正技术

2.1APFC原理

有源功率因数校正技术APFC（ActivePowerFactorCorrection）伴随着开关电源变换技术的发展而出现。

早期，功率半导体技术尚未成熟，有源功率因数校正电路，大多借助于晶闸管电路来实现。

随着功率半导体技术的发展，各种性能优异、价格便宜的功率开关器件纷纷出现。

现在只有在大功率场合，才会使用晶闸管。

基于现代高速半导体开关器件和控制集成电路的现代高频功率电子电路，构成了现代有源功率因数校正控制电路的主流。

有源功率因数校正技术，虽然控制复杂，但是其所得的功率因数高，且由于这种方式采用的是开关电源变换技术，开关工作频率高，因此与无源功率因数校正相比较，所需要的滤波电容、电感都要小，体积和重量也就小。

随着各种便携式设备的风行，这种校正方式正成为功率因数校正的主流。

有源功率因数校正的基本电路由两大部分组成：

主功率电路和控制电路，如图2-1所示。

其基本思想是：

将输入的交流电压进行全波桥式整流，对得到的整流直流电压进