PFC数字控制技术在开关电源中的应用.docx

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PFC数字控制技术在开关电源中的应用

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。

图1.5单端正激式开关电源主回路

该电路的最大问题是：

开关管T交替工作于通/断两种状态，当开关管关断时，脉冲变压器处于“空载”状态，其中储存的磁能将被积累到下一个周期，直至电感器饱和，使开关器件烧毁。

图中的D3与N3构成的磁通复位电路，提供了泄放多余磁能的渠道。

单端反激式

反激式电路与正激式电路相反，脉冲变压器的原/付边相位关系，确保当开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边不对负载供电，即原/付边交错通断。

脉冲变压器磁能被积累的问题容易解决，但是，由于变压器存在漏感，将在原边形成电压尖峰，可能击穿开关器件，需要设置电压钳位电路予以保护D3、N3构成的回路。

从电路原理图上看，反激式与正激式很相象，表面上只是变压器同名端的区别，但电路的工作方式不同，D3、N3的作用也不同。

图1.6单端反激式开关电源主回路

推挽（变压器中心抽头）式

这种电路结构的特点是：

对称性结构，脉冲变压器原边是两个对称线圈，两只开关管接成对称关系，轮流通断，工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器。

图1.7推挽式换能电路

主要优点：

高频变压器磁芯利用率高（与单端电路相比）、电源电压利用率高（与后面要叙述的半桥电路相比）、输出功率大、两管基极均为低电平，驱动电路简单。

主要缺点：

变压器绕组利用率低、对开关管的耐压要求比较高（至少是电源电压的两倍）。

全桥式

这种电路结构的特点是：

由四只相同的开关管接成电桥结构驱动脉冲变压器原边。

图1.8全桥式开关电源主回路

图中T1、T4为一对，由同一组信号驱动，同时导通/关端；T2、T3为另一对，由另一组信号驱动，同时导通/关端。

两对开关管轮流通/断，在变压器原边线圈中形成正/负交变的脉冲电流。

主要优点：

与推挽结构相比，原边绕组减少了一半，开关管耐压降低一半。

主要缺点：

使用的开关管数量多，且要求参数一致性好，驱动电路复杂，实现同步比较困难。

这种电路结构通常使用在1KW以上超大功率开关电源电路中。

半桥式

电路的结构类似于全桥式，只是把其中的两只开关管（T3、T4）换成了两只等值大电容C1、C2。

图1.9半桥式开关电源主回路

主要优点：

具有一定的抗不平衡能力，对电路对称性要求不很严格；适应的功率范围较大，从几十瓦到千瓦都可以；开关管耐压要求较低；电路成本比全桥电路低等。

这种电路常常被用于各种非稳压输出的DC变换器，如电子荧光灯驱动电路中。

1.1.5.开关电源的技术指标

开关电源的技术指标有很多，包括电气指标、机械特性、适用环境、可靠性、安全性和生产成本等。

　　根据电源用途不同，指标优先考虑的重点也不同，但首先应考虑电源的安全性。

目前，许多国家都有相应的开关电源安全规范。

　　常见的开关电源电气技术指标有[2]：

（1）输入电源的相数、频率：

根据输出功率不同，可采用单相或三相电源供电。

在输出功率高于5kW时通常采用三相电源供电，以使三相负载均衡。

我国市电电源频率为50Hz。

（2）额定输入电压、容许电压波动范围：

我国市电电源额定相电压为220V，线电压为380V，在容许的输入电压波动范围内都要保证额定输出功率。

　　（3）额定输入电流：

指在额定输入电压和额定输出功率时的输入电流。

　　（4）最大输入电流：

指在容许的下限输入电压和额定输出功率时的输入电流。

　　（5）输人功率因数：

指输入有功功率与视在功率的比值。

　　（6）额定输出直流电压：

也叫标称输出直流电压，指在额定输出电流、满足规定的稳压精度及纹波等指标时的最大输出直流电压。

　　（7）稳压精度：

有多种原因会导致输出电压的波动，如输入电压波动、负载改变等，稳压精度指在容许的工作条件（输入电压波动、负载变化、环境温度改变等）范围内，实际输出直流电压与额定上作条件时理想输出直流电压的比值。

它反映了电源的控制精度。

　　（8）输出电压的纹波与噪声：

纹波指输出电压中与输入电源频率同步的交流成分，用峰—峰值表示。

噪声指输㈩电压中除纹波以外的交流成分，也用峰—峰值表示。

常用纹波和噪声的总合值减去输出电压中交流成分的峰—峰值来表示输出电压中交流分量的大小。

　　（9）额定输出电流：

额定输出电压时供给负载的最大平均电流。

　　（10）效率：

指输出有功功率与输入有功功率之比。

此外，还有反映电源系统动态特性的指标，如突加负载时的动态电压降、调整时间等，以及开关源的电磁干扰与射频干扰指标等。

　　在应用中，不同的应用场合对电源的要求有所不同，因此开关电源设计时首先应根据具体情况确定对电源的技术指标要求，然后选择合适的变换器结构并完成有关参数设计。

1.2.功率因数的定义、标准及分类

1.2.1功率因数的定义

根据电工学的基本理论[3]，功率因数（PF）定义为有功功率（P）与视在功率（S）的比值，用公式表示为：

PF=P/S=（U1I1cosφ1）/（U1IR）=（I1cosφ1）/IR=γcosφ1（1-1）

IR=（I12+I22+…IN2）1/2（1-2）

式中:

I1为输入电流基波有效值，IR为电网电流有效值，其中I1，I2，I3，…，

In为输入电流各次谐波有效值；U1为输入电压基波有效值；γ为输入电流畸变因数；Cosφ1为基波电压和基波电流的位移因数。

可见，功率因数由畸变因数γ和基波电压、基波电流位移因数Cosφ1决定。

Cosφ1越小，则设备的无功功率越大，设备利用率越低，导线、变压器绕组损耗越大，γ越小，则设备的无功功率越大，设备利用率越低，导线、变压器绕组损耗大，γ越小表示设备输入电流谐波分量大，将造成电流波形畸变，对电网造成污染，使功率因数降低，严重时会造成电子设备的损坏。

目前已广泛使用的改善功率因数方法主要有以下几种[4]：

（1）多脉冲整流。

它的基本原理是利用变压器对各次不同谐波电流移相，使奇次谐波在变压器次级相互迭加而抵消。

这种方法在变压器的负载平衡情况下，对减小输入端的低次谐波是有效的；

（2）无源滤波法。

这种方法对抑制高次谐波有效，但滤波设备庞大，而且运行情况受系统阻抗的影响，若不使用调谐电抗器，很可能会与系统电抗产生并联谐振，但由于结构简单，目前还常使用；

（3）有源滤波法。

有源滤波法是与系统串联或并联的逆变器，它受系统阻抗影响小，并对各次谐波有快速响应，但注入的电流有流进其它装置的可能，并且造价高；

（4）有源功率因数校正（APFC）法。

它直接采用有源开关或AC-DC变换技术，使输入电流成为与电网电压同相位的正弦波。

这种方法对技术要求较高，但功率因

数校正效果好，在理论上可将功率因数校正到0.99以上，故在大容量的通信开关电源系统中使用较普遍。

1.2.2功率因数的标准

由于开关电源已成为电网最主要的谐波源之一，并对电网造成严重的污染。

针对高次谐波的危害，国际电工委员会以及我国国家技术监督局都制定了相应的标准对其高次谐波进行限制。

目前比较常用的一个是国际电工委员会制定的IEC61000-3-2，它的适用对象是每相电流小于等于16A的用电器。

我国于2003对国标标准GB17625.1-1998 进行的修正，即为现在执行的GB17625.1-2003，这些国标和国际标准进行了强制的执行，所有相关的设备必须遵守[5]。

下面介绍GB17625.1-2003IEC61000-3-2规范的要求进行简单的介绍：

表1-1A类设备的限值

谐波次数n

最大允许谐波电流A

奇次谐波

3

5

7

9

11

13

15≤n≤39

2.3

1.14

0.77

0.40

0.33

0.21

0.15X15/n

偶次谐波

2

4

6

8≤n≤40

1.08

0.43

0.30

0.23X8/n

备注：

对于B类设备，输入电流的谐波不得超过表1-1中的数值的1.5倍，即不得超过A类设备的1.5倍。

表1-2C类设备的限值

谐波次数

N

基波频率下输入电流百分数表示的最大允许谐波电流/%

2

3

5

7

9

11≤n≤39

（仅有奇次谐波）

2

30λ

10

7

5

3

注：

λ是电路功率因数

表1-3D类设备的限值

谐波次数

n

每瓦允许的最大谐波电流mA/W

最大允许谐波电流A

3

5

7

9

11

13≤n≤39

3.4

1.9

1.0

0.5

0.35

3.85/n

2.30

1.14

0.77

0.40

0.33

同表1

在此，就不介绍设备的分类标准了，详细可以查询GB17625.1-2003。

1.2.3功率因数校正技术的分类

功率因数校正技术（PFC）根据是否采用有源器件可分为无源功率因数校正技术和有源功率因数校正技术两大类[6]。

无源PFC技术是在整流电路中用增加电感和电容等无源元件和二极管构成无源网络，对电路中的电流脉冲进行抑制，以降低电流谐波含量，提高功率因数。

其主要优点是：

简单、成本低、可靠性高、EMI小。

主要缺点是：

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有关，电感和电容间有大的充放电电流等。

有源PFC技术是采用功率开关器件和PWM控制技术，通过一定的控制策略使电网输入的电流波形逼近正弦波，并与输入的电网电压同相位。

这种方法虽然电路复杂，但可得到较高的功率因数，总谐波畸变小，体积小，输出电压较稳定。

主要优点是：

可得到较高的功率因数，THD小，可在较宽输入电压范围和宽带下工作，体积、重量小，输出电压也可保持恒定。

主要缺点是：

电路复杂，MTBF（平均无故障时间）下降，成本较高，效率会有所降低等。

1.3.功率因数校正技术的发展方向

随着电力电子技术的不断发展，开关电源因效率高，成本低，而在各个领域获得了广泛的应用。

但是采用传统的非控整流开关电源，由于输入阻抗呈容性，网侧输入电压和输入电流间存在较大相位差，加上输入电流严重非正弦，并呈脉冲状，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。

功率因数校正技术从早期的无源电路发展到现在的有源电路，新的拓扑和技术不断涌现。

通常从以下几个方面来判断一个功率因数校正电路的优劣：

功率因数的高低；输入电流波形畸变的大小；效率和功率密度的高低；开关管应力的大小。

一般要求功率因数要高，具有良好的动态性能和稳定的输出电压，同时还要求开关损耗要小，电压应力低，开关频率高，体积小，成本低等。

而单一类型的PFC变换器要同时满足这些要求是很困难的。

这就要求采用复合类型的，在增加较少成本的条件下，尽可能满足各项要求。

也可采用最优化设计方法，使PFC变换器的某个技术或经济指标为最优或接近最优的情况下，获得该电路的一组最优参数，并满足其他各项性能指标要求。

总之，功率因数校正技术研究的热点问题集中在：

基于己有的原理新拓扑结构的提出；把软开关等技术应用于PFC电路中；单级PFC稳压开关变换器的稳定性等的研究。

因此，高性能、低成本、控制方便的功率因数校正技术是研究的方向。

1.4.功率因数校正技术研究的重要意义

进入二十一世纪，随着家用电气的普及，对电网的需求的提高，PFC技术的研究更显得尤为的重要。

如何减少对电网的污染，减少对电网的压力，由此可以得出对功率因数校正技术研究的目的和意义具有如下几点:

（1）开关电源功率因数校正技术作为电源的一门新兴技术，它的作用和重要性己得到广泛的认可，如何提高功率因数己成为当今电力电子界的研究热点；

（2）提高功率因数是节省能源，提高电能质量保证电力系统安全稳定运行的要求；

（3）针对谐波污染，国际上已制定了各种相关的标准和规定，以限制谐波的危害，净化电磁环境，如MIL-STD-1399，BELLCORE001089，IEC555-2，IEEE519等，其中工EC555-2标准自1994年起在欧盟国家全面实施，