PFC数字控制技术在开关电源中的应用概述.docx

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PFC数字控制技术在开关电源中的应用概述

网络教育学院

本科生毕业论文

原创优秀论文

题目：

PFC数字控制技术在开关电源中的应用

学习中心：

北京中华商科学校奥鹏学习中心

层次：

专科起点本科

专业：

电气工程及其自动化

年级：

学号：

学生：

指导教师：

郑忠玖

完成日期：

2009年09月21日

内容摘要

近年来，随着社会的进步，电子技术得到了迅猛的发展，计算机等一些通信设备日益普及，在各种不同的领域的广泛应用，对电网造成了严重的谐波污染，这样使得以及输入端功率因数低等问题显得日益突出。

随着IEC-1000-3-2和EN61000-3-2等国际标准的颁布和强制执行，用于解决谐波污染的功率因数校正（PowerFactorCorrection，简称PFC）技术已成为我们研究的重点科目。

本文首先对功率因数的定义、功率因数校正的方法和重要性进行简单的介绍，并对有源功率因数校正（APFC）控制技术原理进行详细的分析和讨论。

其次实现PFC的模拟控制方法和数字控制方法进行了比较，介绍了采用数字控制的独特优点。

详细讨论了采用数字信号处理器作为控制核心时的应用。

关键词：

功率因数校正；模拟控制；数字控制；

目录

内容摘要I

目录II

1.概述1

1.1.开关电源的基本介绍1

1.1.1.引言1

1.1.2.开关电源的基本构成1

1.1.3.开关电源的分类2

1.1.4.开关电源主回路拓扑结构概述3

1.1.5.开关电源的技术指标8

1.2.功率因数的定义、标准及分类9

1.2.1功率因数的定义9

1.2.2功率因数的标准10

1.2.3功率因数校正技术的分类11

1.3.功率因数校正技术的发展方向12

1.4.功率因数校正技术研究的重要意义12

2有源功率因数校正技术的原理及其控制方法14

2.1单相有源功率因数校正的分类14

2.1.1单级APFC14

2.1.2两级APFC14

2.2有源功率因数校正技术的原理及其控制方法15

2.2.2有源功率因数校正的控制方法16

2.3APFC技术分析20

3PFC数字控制技术的发展23

3.1数字控制技术概述23

3.1.1数字控制的意义23

3.1.2数字控制系统的组成24

3.1.3数字控制PFC的发展24

3.1.4本文研究内容26

3.2数字控制方法及特点27

3.2.1PFC模拟控制和数字控制的比较27

3.3数字控制的实现29

3.3.1微处理器的选择29

3.3.2采样算法和采样频率的选择29

3.3.3PWM信号的产生31

3.3.4电流环和电压环的数字PI控制器33

3.4单相PFC数字控制器的设计与实现34

3.4.1单相Boost功率因数校正电路34

3.4.2控制电路的设计35

3.4.3基于dsPIC的BoostPFC的解决方案37

3.4.4仿真与实验结果41

4研究的目标44

4.1功率因数在开关电源起到的作用，对电网的影响44

4.1.1开关电源电磁干扰分析44

4.1.2功率因素对电网的影响47

4.1.3提高功率因素的意义48

4.2PFC数字控制的优势49

结论51

参考文献52

1.概述

1.1.开关电源的基本介绍

1.1.1.引言

自上世纪60年代，开关电源的问世，使其逐步取代了传统的线性稳压电源和SCR相控电源。

开关电源技术经过50多年来的飞迅发展和变化，经历了功率半导体器件、高频化和软开关技术、开关电源系统的集成技术三个发展阶段。

随着社会的高速发展，电子技术在个领域得到了广泛的应用，电子设备的种类也越来越多，电子设备与我们的生活日趋紧密。

更重要的是离不开电源的支持，而且对电源的品质要求越来越高，希望得到高效率、高功率因数、低噪音。

随着电源技术的迅猛发展，无电网污染、无电磁干扰、省电节能的绿色指标成为当今的重要研究话题。

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。

开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。

　开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。

另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

1.1.2.开关电源的基本构成

基本构成有DC/DC变化器，采样电阻R1、R2，比较放大器，PWM和驱动器组成，电路图1.1如下：

图1.1开关电源的基本构成

工作原理：

变换器输出的电压经采样电阻R1、R2检测其变化，与基准电压Ur比较放大后通过PWM控制其占空比，并由驱动器驱动。

1.1.3.开关电源的分类

人类在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。

开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。

以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。

（1）DC/DC变换

DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。

斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）[1]。

其具体的电路由以下几类：

Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。

Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。

Buck－Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。

Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。

当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为（6.2、10、17）W/cm3，效率为（80～90）％。

日本NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200～300）kHz，功率密度已达到27W/cm3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到90％。

（2）AC/DC变换

AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。

AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作损耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。

AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。

按电源相数可分为，单相、三相、多相。

按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。

（3）电路结构开关型稳压电源的电路结构有多种：

按驱动方式分，有自励式和他励式；

按DC/DC变换器的工作方式分，有单端正激式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式和升降式等；

按电路组成分，有谐振型和非谐振型；

按控制方式分，有脉宽调制式、脉冲频率调制式和PWM与PFM混合式；

按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变压器耦合式、光电耦合式等。

1.1.4.开关电源主回路拓扑结构概述

主回路——开关电源中，功率电流流经的通路。

主回路一般包含了开关电源中的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器、等所有功率器件，以及供电输入端和负载端。

开关电源（直流变换器）的类型很多，在研究开发或者维修电源系统时，全面了解开关电源主回路的各种基本类型，以及工作原理，具有极其重要的意义。

开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。

（1）非隔离式电路的类型：

非隔离——输入端与输出端电气相通，没有隔离。

串联式结构

串联——在主回路中开关器件（下图1.2中所示的开关三极管T）与输入端、输出端、电感器L、负载RL四者成串联连接的关系。

开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电，当开关管T关断时，电感器L中的反向电动势使续流二极管D自动导通，电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路，对负载R继续供电，从而保证了负载端获得连续的电流。

图1.2串联型开关稳压电路主回路

串联式结构，只能获得低于输入电压的输出电压，因此为降压式变换。

并联式结构

并联——在主回路中，相对于输入端而言，开关器件（下图1.3中所示的开关三极管T）与输出端负载成并联连接的关系。

开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载R靠电容器存储的电能供电；当开关管T关断时，续流二极管D导通，输入端电源电压与电感器L中的自感电动势正向叠加后，通过续流二极管D对负载R供电，并同时对电容器C充电。

图1.3并联型电源稳压电路主回路

由此可见，并联式结构中，可以获得高于输入电压的输出电压，因此为升压式变换。

并且为了获得连续的负载电流，并联结构比串联结构对输出滤波电容C的容量有更高的要求。

极性反转型变换器结构

极性反转——输出电压与输入电压的极性相反。

电路的基本结构特征是：

在主回路中，相对于输入端而言，电感器L与负载成并联。

图1.4极性反转型换能电路

开关管T交替工作于通/断两种状态，工作过程与并联式结构相似，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载RL靠电容器存储的电能供电；当开关管T关断时，续流二极管D导通，电感器L中的自感电动势通过续流二极管D对负载RL供电，并同时对电容器C充电；由于续流二极管D的反向极性，使输出端获得相反极性的电压输出。

（2）隔离式电路的类型：

隔离——输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的磁偶合方式传递能量，输入输出完全电气隔离。

单端正激式

单端——通过一只开关器件单向驱动脉冲变压器；

正激——脉冲变压器的原/付边相位关系，确保在开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边同时对负载供电。