有源滤波对开关电源功率因数进行校正-本科毕业论文设计.doc

东北石油大学本科生毕业设计（论文）摘要开关电源是实现电能转换和功率传递的重要设备。近年来，随着电力电子技术的快速发展，开关电源因其效率高、性能好、成本低而被广泛应用于国民经济的各个领域，并取得了显著的效益。因此研究设计一款性能稳定、可靠性高的开关电源具有极高的科研意义和商业价值1。本文对Boost型功率因数校正技术进行了分析、设计和研究。详细分析了有源功率因数校正器的基本工作原理，通过比较几种不同拓扑的PFC变换器主电路的优缺点，和比较控制电路的几种不同控制方法的优缺点，明确本文所要研究的对象为平均电流控制（ACM）的Boost型功率因数校正器。在此基础上对Boost主电路和控制电路进行数学建模，得出其状态方程和传递函数，运用仿真软件MATLAB中的Simulink工具，建立了Boost主电路和控制电路的Simulink仿真模型，并得出其仿真结果。本文根据Boost变换器的特点和要求，设计了一个具体、实用的带PFC功能的开关电源电路，并给出了具体设计步骤和电路参数的计算。平均电流控制的单相Boost功率因数校正电路，完全能够达到整流、高输入功率因数、升压、稳压、低纹波的目标，具有广阔的应用前景。关键词：功率因数校正；Boost变换器；仿真AbstractSwiching power supply is an important to achieve Power conversion And Power delivery. In reeent years，Swiching power supply is 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 Switching Power supply with steady Performance and high reliability has high seientific and commercial values.Based on the summary of the fruits of the research of the Active Power Factor Correction, the PFC system, which adopts Boost power converter circuit and Average Current Mode control scheme, is well studied in this thesis.According to the principle and the discussion of the single-phase 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 indicated as the developing direction of PFC and regarded as PFC system structure.Then, the state differential equations of ideal Boost converter and the general transfer functions of PWM converter are deduced and the simulation models of ideal converter are showed using MATLAB. Besides, we design a practical circuit with the function of PFC, giving discrete design steps and the calculation of the circuit parameters.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 widely in the future.Key words: PFC (power factor correction); Boost converter; Simulation目录第1章 绪 论11.1开关电源的发展11.2论文研究的目的和意义21.3功率因数的定义以及校正方法31.4论文要完成的主要工作5第2章 有源功率因数校正技术及其控制方法的研究62.1有源功率因数校正技术基本原理62.2 有源功率因数校正主电路的选择72.3有源功率因数校正技术的工作模式72.4 有源功率因数校正技术的控制策略92.5本章小结14第3章 有源功率因数校正电路的设计153.1有源功率因数电路的选择153.2有源功率因数电路的参数设计173.3本章小结23第4章APFC电路的仿真分析244.1MATLAB简介244.2APFC主电路的仿真254.3Boost型APFC电路的仿真294.4APFC电路的优化设计344.5本章小结38结论39参考文献40致谢41第1章 绪 论1.1开关电源的发展开关电源是利用现代电力电子技术，通过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充电器。从广义上来说，凡用半导体功率器件做开关，将一种电源形态转换为另一种电源形态的主电路都叫做开关变换器电路，转换时用自动开关闭环稳定输出并有各种保护环节的则称为开关电源。开关电源的发展与半导体器件及磁性元件的发展是休戚相关的。1955年美国科学家罗耶首先研制成功了自激振荡的晶体管直流变换器，此后，世界各地利用这一技术的各种形式的晶体管自激振荡直流变换器不断被研制出来。如自激式推挽双变压器等。到1969年开关电源首先在国外问世，虽然它的频率只有25kHz，但它的出现却是电源发展历程的一个重要的里程碑。进入七十年代，随着电力电子技术和半导体技术的发展，开关稳压电源得到迅速发展，功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、 GTO)发展为MOS型器件(功率MosFET、IGBT、IGCT等)，这使得开关电源的高频化的实现有了可能，相比于晶体管稳压电源，它的电路结构更简单，损耗更低，效率也变得更高。自80年代起，高频化和软开关技术以及各种电力电子集成技术的开发研究，使开关电源的性能得到进一步提升、重量得到降低、尺寸也将变得更小。如将开关变换器技术应用到提高功率因数和改善电流波形上来，研发了功率因数校正 (PowerFactorcorreetion，PFC)技术。同时相继提出PEBB与IPEM技术概念的电力电子技术，但此时开关电源的集成度较低。80年代初采用上述原理第一套完整的48V成套电源在英国出现。到80年代末，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。90年代开始，随着脉宽调制电路的出现，开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用，进入快速发展期，正朝着智能化、集成化、高频化、模块化和绿色能源方向发展。此后零电压、零电流软开关拓扑电路的广泛应用，是开关电源技术的又一次飞跃。进入21世纪以来，随着开关电源绿色化概念的提出。功率因数校正又被重新提起，并迅速发展起来，各种带有功率因数校正的开关电源不断出现。为了提高AC/DC变换器输入端功率因数，减小电流的谐波，20世纪80年代人们将开关变换器技术应用到提高功率因数和改善电流波形上来，研发了功率因数校正技术。目前有两个标准，即JEC5552和JEC100032。自从欧洲和日本相继对开关电源输入谐波的要求制订了标准以后，这些规定和标准的执行使得PFC技术的研究成为当今电源界的热点。早期的功率因数校正采用大容量的电感器和电容器等无源器件构成无源网络对电路进行功率因数校正，即我们常说的无源功率因数校正技术(PassivePowerFactoreorrection，PPFe)。它难以实现功率因数PF=1，一般可提高到0.60.7左右，同时输入谐波电流的抑制效果也不是很好。目前该技术主要应用于功率小于300W、对体积和重量要求不高的场合。随之填谷 (vaneyFill)式的无源PFC电路的出现给功率因数的提高又带来了一丝曙光，它利用二极管和电容的串并联切换来增大二极管的导通角，可以使功率因数达到0.9以上。但这些前期的无源PFC技术只能是对某些指定的谐波进行抑制和补偿，而且它的体积和重量都很大。由于无源PFC技术发展的局限性，人们加快了对功率半导体器件的研究，随着开关变换技术突飞猛进，到50年代，有源功率因数校正技术的诞生，它是在整流桥和DC/DC变换之间添加一个变换器，应用电流反馈技术使输入端电流波形跟踪输入端电压正弦波形，功率因数可提高到0.99以上。进入21世纪以来，功率因数校正技术的研究重点集中在：新拓扑的提出、软开关技术、单级PFC变换器的研究以及新的控制方法的提出和无桥式整流的PFC。1.2论文研究的目的和意义电源是工业动力和人类生活之源，任何电子设备的可靠运行都离不开电源，这就决定了电源在电子设备中的重要性。随着电力电子技术的快速发展，作为电源中重要组成的开关电源己广泛应用到人们的日常生活和工作中，成为不可缺少的一部分。高频化是实现开关电源小型化的一种最重要的途径，己成为发展的重要趋势，其技术难点是必须在轻、小、薄和高开关频率的前提下保证高效率和高稳定性运行，并使电磁干扰和谐波干扰最小。因此，高频化是开关电源的发展方向，但是高频化后产生的许多问题必须得到解决。随着开关频率的提高，电源中的分布电感、电容和功率开关管中存储电荷所产生浪涌或噪声就会越来越多，使得电磁干扰现象越来越严重，这样开关电源即使体积跟成本减少了，本身性能的大幅度降低也会限制开关电源的发展。目前，市场上频率为几百kHz甚至几MHz左右的开关电源己经开始实用化，但其一般直接与220V市电相连，经输入整流滤波后供给系统使用，在这个AC/DC转换过程中，虽然输入的交流市电波形是正弦的，但输入的电流却含有大量谐波电流分量，发生了严重畸变，功率因数很低，对电能造成了严重的浪费；同时这些谐波分量还会反馈回市电电网中，使电网电压发生畸变;干扰其内部设备或通过电磁波形式辐射影响到外部设备。因此谐波抑制和功率因数提高已成为开关电源研究领域所面临的一个重大课题，正在受到越来越多的关注。功率因数校正技术作为开关电源中抑制谐波电流和提高功率因数的一门新兴技术，它的作用和重要性已得到人们的广泛认可。进入二十一世纪，功率因数校正技术的研究方日渐兴盛，特别是在我国，但相对于这方面的要求和标准规范还不健全。对于消费者来说，功率因数校正产生的效益并不是立竿见影的，因此增加成本对他们来说是一件很难接受的事情。从长远来看，虽然附加功率因数校正电路会给开关电源的成本增加约2030%，但它所能产生的节能效益将显著超过前期投资。正因为如此，世界上许多国家要求在其国内新流通的开关电源产品中增加功率因数校正这一环节。在科学技术飞速发展的今天，随着社会的进步和人民生活水平的提高，对电能质量的要求也越来越高，高性能、低成本的功率因数校正技术具有极大的市场潜力和应用前景。1.3功率因数的定义以及校正方法1.3.1功率因数的定义功率因数PF定义为：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。(1-1) 式中： ：基波因数，即基波电流有效值I1与电网电流有效值IR之比。 ：电网电流有效值 ：基波电流有效值 ：电网电压有效值 ：基波电流与基波电压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，在线性电路中，无谐波电流，电网电流有效值与基波电流有效值相等，基波因数=1，所以PF1。如果整流桥后面没有并联蓄能电容，而直接是接上一个纯阻性的负载，那么很显然，电压和电流之间的相位差为零，功率因数为1。因此功率因数校正技术的本质，是要使用电设备的输入端对输入电网呈现“纯阻性”，也就是要使输入电流和输入电压之间成正比，且相位差为零。另一方面，从能量传输的角度来讲，功率因数校正技术就是要使用电设备的输入端只能从输入电网汲取能量。而不要将能量重新反馈回输入电网中去。当线性电路且为纯电阻性负载时，PF12。1.3.2功率因数校正的方法(l)无源PFC技术:采用体积庞大的电感和电容来提高功率因数，不过它很难实现功率因数等于1，目前还被应用到重量体积不受限制的小型设备。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(2)有源PFC技术：采用有源器件，在整流部分和负载之间添加一个DC/DC变换器，应用电流反馈技术，使输入端电流波形跟踪输入正弦电压波形，从而使电网输入端的电流波形逼近正弦波，并与输入的电网电压同相位。目前最常用的是高频APFC技术，它能使功率因数可达到0.99，正被广泛应用于AC/DC开关电源、交流不间断电源(UPS)等领域。无源功率因数校正技术由于采用大而笨重的电感和电容来改善输入功率因数，致使峰值充电效应产生的高次谐波电流辐射出去进而污染电网，同时它的体积很大而且功率因数却得不到很好的提高。而有源功率因数校正技术则通过相应的反馈控制电路，使输入端电流平均值跟踪交流输入正弦电压波形，可以使输入电流接近正弦，从而大大提高功率因数，一般校正后PF可提高到0.99或更高，并且现在采用的有源功率因数校正技术的大都是高频的，因而它的体积更小，基于此本文主要研究高频有源功率因数校正的开关电源。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论文要完成的主要工作随着全球能源问题的临近，开关电源产品的耗能问题也变得越来越严重，如何降低这些不必要的损耗已成为一个函待解决的问题。通过认识得知，在相同的输入功率下，提高开关电源的输出功率主要有两个途径，一是提高开关电源的效率，二是提高开关电源的功率因数。但开关电源效率的提高难度很大，并且效果也不明显，因此功率因数的提高是目前最有效的方法。本文通过对APFC主电路拓扑结构的仿真研究，并进行了控制方法研究，在此基础上，研究设计了一款带有Boost型有源功率因数校正的高功率因数开关电源，并通过MATLAB对整体系统的仿真研究得到了证实。（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及其控制方法的研究2.1有源功率因数校正技术基本原理有源功率因数校正技术 APFC(Active Power Factor Correction)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。APFC电路是在整流器和负载之间接入一个DC/DC开关变化器，应用电压电流反馈技术，使输入端电流波形跟随输入正弦电压波形，从而使输入电流的波形也接近正弦波，达到提高功率因数的目的。由于在此电路中使用了有源器件，所以称为有源功率因数校正电路。其基本思想是：交流输入电压经全波整流后，对所得的全波整流电压进行DC/DC变换，通过适当控制使输入电流波形自动跟随全波整流后的电压波形，使输入电流正弦化，同时保持输出电压稳定，APFC电路一般都有两个反馈控制环：内环为电流环，使DC/DC变换器的输入电流与全波整流电压波形相同；外环为电压环，使DC/DC变换器输出稳定的直流电压。整流器DC/DC变换器控制电路负载交流输入图2-1 有源功率因数校正电路原理2.2 有源功率因数校正主电路的选择有源功率因数校正就是在桥式整流电路和输出电容之间增DC/DC变换器，其主电路拓扑结构由储能电感L和高频功率开关管构成，按电路结构可分为：升压型、降压型、升降压型和反激型。这几种PFC电路的特点如下：降压式PFC：电路只能实现降压功能，输入电流不连续，因此仙子了变换器的转换功率，另一方面输入电流纹波较大，滤波困难。在变换器工作时，开关管上的应力比较大，因此很少用于功率因数校正电路。反激式PFC：输入输出之间隔离，输出电压可以任意选择，属于简单电压型控制器，适应于100W以下或更小功率的电源。升降压式PFC：需用两个电子开关，电路比较复杂，因此采用的比较少。升压式PFC：整个电路工作在一个稳定的状态，电源的输入电流始终和电感电流相等，由于输入电流可以处于连续状态，因此输入电流的纹波比较小，降低了滤波电路的设计要求。电路只能实现升压变换，输出电压高于输入电压峰值，电流允许的输入电压范围扩大，通常可调到90270W，对市电交流电压为100V的国家和地区特别合适。由于升压斩波电路的稳定作用，整流输出的电压是稳定的，有利于后级工作稳定，提高控制精度和效率，升压式PFC控制简单，适应于752000W的功率电源，应用最为普遍。由于回扫型和升降压型都是基于升压型和降压型改变研制的，因此本节主要以升压型和降压型为研究的重点。2.3有源功率因数校正技术的工作模式APFC电路在通常情况下需要用电压-电流的双环反馈来控制，这在一定的程度上会使PFC电路显得较为复杂。由于Boost变换器具有控制容易，输入电流可以连续且纹波电流较小等诸多优点，因而得到了广泛的应用9，为了方便叙述，这里主要用Boost变换器作为描述和分析的对象。根据电路输入电流检测和控制方式，APFC电路的工作模式可分成两种：电感电流连续（Continue Current Mode,CCM）和电感电流不连续工作(Discontinue Current Mode,DCM)两大类5 。不连续导电控制模式（DCM）又称为电压跟踪控制（Voltage-follower Control）方式，主要有恒频、变频方式等，它是APFC控制中简单而实用的一种控制方式，应用较广。为了获得理想的稳压输出，需要输出电压闭环反馈控制环节，开关由输出电压误差信号控制。在一个开关周期电感电流的平均值正比于输入电压，因此输入电流波形自然跟踪输入电压波形6。1恒频方式图2-2给出了Boost电路的DCM控制原理图，电压调节器E/A的频带宽度取10-20Hz，确保稳态时输出占空比在半个工频周期内保持不变。恒频控制时开关周期恒定，电感电流不连续。电感电流在一个开关周期内的平均值为.(2-1)L负载CRVDVgVi Vo+E/APWMS图2-2DCM控制原理图式中为整流后的电压；为功率开关管S的导通时间；为二极管VD的续流时间；为开关周期。式（2-1）中恒定，DC/DC变换器输入侧等效为阻性负载，整流器交流侧电压电流同相位。实际上，在半个工频周期内并不恒定，导致输入平均电流有一定程度的畸变。输出电压与输入电压峰值的比值越大，输入电流畸变程度越小。该方式下的电流THD可控制在10%以内。2变频方式式（2-1）中，若，则输入平均电流只与导通时间有关，保持恒定，输入电流理论上无畸变，这就是变频控制原理。变频控制方式下电流工作于临界DCM状态，集成控制器UC3852可实现上述功能11。当占空比和开关频率固定时，输入电流的平均值正比于输入电压，因此不再需要电流控制环输入电流的平均值就能自动跟踪输入电压呈正弦波形。DCM 控制方法的一个基本特点就是电感能量的完全传输，即在每一个开关周期中，转换电感都必须把从电源中获得的能量完全转移到蓄能电容(输出电容)中去。DCM 模式的输入电流自动跟踪电压，功率管实现零电流开通，不承受二极管的反向恢复电流。但是由于变换器工作在不连续导电模式下，需要较大的输入滤波器。开关不仅要导通较大的通态电流，而且将关断更大的峰值电流并引起很大的关断损耗，使开关的使用寿命降低，同时还会产生严重电磁干扰，DCM 模式可以采用恒频控制、变频控制、等面积控制等控制方法，这种工作模式的APFC 一般功率小于200W。CCM 模式的电感电流连续，输入电流纹波和输出电流纹波小、EMI小，滤波器体积小，电流峰值比 DCM 模式要小，器件的应力相对也更小。但是它的控制方法比较复杂，开关损耗较大，制作成本也比较高，通常需要使用乘法器，采用电流闭环控制，且开关管工作于变频或 PWM 控制方法。这种工作模式一般适用于大功率、大电流的产品中。2.4 有源功率因数校正技术的控制策略按照测量控制输入电流方法的不同，APFC 可以有多种控制策略，在电流连续情况下，经典控制策略中又主要有三种基本的控制方式：峰值电流控制，滞环电流控制，和平均电流控制56。现以Boost型PFC电路为例来说明这三种控制方法的基本原理78，假设电路工作模式为CCM（电感电流连续模式）。（1）峰值电流控制（Peak Current Mode Control）图2-3是峰值电流控制模式PFC电路原理图。其中功率管的开关周期恒定不变为T。输入电压信号和输出电压的反馈信号相乘，形成一个与输入电压同频同相的电流控制参考信号（基准电流环信号）。功率管S导通，电感L充电时，电感电流的检测信号和基准电流环信号相比较，当电感电流上升到基准信号值时，触发逻辑控制部分使功率管S关断，电感开始放电，当一个开关周期T结束时，功率管重新导通。图2-4是在半个工频周期内，功率开关管的控制波形和电感电流波形的示意图。峰值电流控制法来实现Boost型PFC电路时的最主要问题是：被控制量是电感电流的峰值，因此并不能保证电感电流即输入电流平均值和输入电压完全成正比，并且在一定条件下会有相当大的误差，以至无法满足THD很小的要求；峰值电流对噪声也很敏感；占空比大于0.5时产生次谐波振动；需要在比较器输入加谐波补偿。因此在PFC电路中，这种控制方法已经逐渐趋于淘汰。峰值电流控制法来实现Boost型PFC电路时的最主要问题是：被控制量是电感电流的峰值，因此并不能保证电感电流即输入电流平均值和输入电压完全成正比，并且在一定条件下会有相当大的误差，以至无法满足THD很小的要求。负载CRVDSVi VoL乘法器逻辑控制电流比较测量谐波补偿误差放大基准电流电感电流基准输入电压检测电感电流检测图2-3峰值电流控制原理图图2-4峰值法控制时电感电流波形峰值电流控制法来实现Boost型PFC电路时的最主要问题是：被控制量是电感电流的峰值，因此并不能保证电感电流即输入电流平均值和输入电压完全成正比，并且在一定条件下会有相当大的误差，以至无法满足THD很小的要求。峰值电流对噪声也很敏感；占空比大于0.5时产生次谐波振动；需要在比较器输入加谐波补偿。因此在PFC电路中，这种控制方法已经逐渐趋于淘汰。下限负载CRVDSVi VoL乘法器逻辑控制上、下限比较测量谐波补偿误差放大电感电流基准输入电压检测电感电流检测上限图2-5滞环电流控制原理图图2-5是滞环电流控制方法实现Boost型PFC电路的原理图和在半个工频周期内，功率开关管S的控制波形和电感电流波形的示意图。和峰值电流控制法不同的是，被控制量是电感电流的变化范围。输入电压信号和输出电压的反馈信号相乘，形成两个大小不同的与输入电压同频同相的电流控制参考信号，即：上限基准电流环信号和下限基准电流环信号。电感电流的检测信号需要和两个基准电流环信号相比较来产生对功率开关管的控制信号，其控制步骤为：当功率管S导通，电感L充电时，电感电流的检测信号和上限基准电流环信号相比较，当电感电流上升到上限基准信号值时，触发逻辑控制部分使功率管S关断，电感开始放电；当电感电流下降到下限基准信号值时，触发逻辑控制部分使功率管S导通，电感L重新充电。这种控制模式下，功率管的导通时间是恒定的，而关断时间是变化的，因此功率管的开关周期是变化的。图2-6中实线为电感电流，为上限电流基准，为下限电流基准。电流滞环的宽带度决定了电流纹波的大小，它可以是固定值，也可以与瞬时平均电流成比例。图2-6滞环电流控制时电感电流波形图图2-6滞环电流控制时电感电流波形图滞环电流控制法对Boost型PFC电路而言是一种较为简单的控制方式，由于控制中没有外加的调制信号，电流的反馈和调制集于一身，因而可以获得很宽的电流频带宽度，电流动态响应快，具有内在的电流限制能力等优点。它的主要缺点是：负载对开关频率影响很大，因此设计滤波器时，要按最低开关频率考虑不可能得到体积和重量最小的设计；滞环宽度对开关频率和系统性能影响很大，需要合理选取；当输入电源电压近零时，两个基准信号的差值很小，由于比较器精度及延迟等因素，容易引起过零点电流死区问题，这一般需要对电路加以补偿来解决。（3）平均电流控制平均电流控制模式PFC电路原理图2-7所示，平均电流控制在功率因数校正中应用最为广泛，其输入电感电流波形如图2-8所示。它把输入整流电压和输出电压误差放大信号的乘积作为基准电流，并且电流环调节输入电流平均值，使其与输入整流电压同相位，并接近正弦波形。输入电流被直接检测，与基准电流比较后，其高频分量的变化，通过电流误差放大器被平均化处理。放大后的平均电流误差与锯齿波斜坡比较后，给开关管驱动信号，并决定了其应有的占空比，于是电流误差被迅速而精确地校正。平均电流控制的特点是被控制量是输入电流的平均值，因此THD和EMI都很小；对噪声不敏感；电感电流的峰值与平均值之间误差很小；原则上可以检测任意拓扑、任意支路的电流；可以工作在CCM或DCM模式；并且开关频率是固定的，适用于大功率的场合，是目前PFC中应用最多的一种控制方式。VL乘法器+-+-VrefCACRSVi Vo振荡器RSQ负载信号比较器 图2-7平均电流控制原理图图2-8平均电流法控制时的电感电流波形平均电流控制的特点是被控制量是输入电流的平均值，因此THD和EMI都很小；对噪声不敏感；电感电流的峰值与平均值之间误差很小；原则上可以检测任意拓扑、任意支路的电流；可以工作在CCM或DCM模式；并且开关频率是固定的，适用于大功率的场合，是目前PFC中应用最多的一种控制方式。表2-1为这三种控制方法的基本特点，通过对比三种控制方式的优缺点来选择合适的控制方式。表2-1三种常用PFC控制方法控制方法检测电流开关频率工作模式对噪声使用拓扑注电流峰值开关电流恒定CCM敏感Boost需斜率补偿电流滞环电感电流变频CCM敏感Boost需逻辑补偿平均电流电感电流恒定任意不敏感任意需电流误放大2.5本章小结本章首先分析了有源功率因数校正技术的基本原理，然后在比较 APFC 电路几种不同拓扑结构和工作模式特点，同时对有源功率因数校正技术的控制策略作了详尽的介绍。第3章 有源功率因数校正电路的设计3.1有源功率因数电路的选择Boost 型 APFC 电路的输入电流必须被强制或调节到同输入电压成正比，需要反馈信号来控制输入电流，可采用峰值电流型控制，滞环电流型控制和平均电流型控制。峰值电流型控制有一个低增益、宽频带的电流环，其通常不适于高性能的 APFC，因为在调节信号和电流之间存在严重误差，这将产生畸变和低功率因数；滞环电流控制由于负载大小对开关频率影响很大，无法得到体积和重量最小的设计；而平均电流型控制则在围绕升压功率级的反馈环路中用一个放大器使输入电流以极小的误差跟踪调节信号，达到高功率因数，同时相对比较容易控制，而且定频电流控制，稳定性高、失真小，对于中、大功率开关电源比较适合。本章首先来分析平均电流控制 Boost 型 APFC 电路的工作原理，然后在此基础上对其进行小信号建模。相比较而言，升压式APFC具有功率因数高，电流波形失真小，输出电压高等显著优点，因此，功率因数校正电路选择升压型主电路。根据第二章中关于APFC控制方式的介绍，结合各自的优缺点，我们选择CCM控制模式下的平均电流控制方案，并基于集成芯片UC3854设计起参数和建立仿真模型。UC3854是美国Unitrode公司开发的基于平均电流的Boost型APFC控制IC，具有带宽高，输入电流跟踪能力强等优点。APFC电路同时具有整流和稳压功能，即整流要求输入功率因数为1，稳压要求输出电压稳定。为此，PFC电路必须同时引入电压和电流反馈构成一个双环控制系统，外环实现输出电压稳定，内环实现输入电流整形，使之成为与输入电压同相位的标准正弦波。现介绍Boost型功率因数校正电路的基本原理9。图3-1所示为一个Boost有源功率因数校正器的原理图。主电路由单相桥式整流器和DC/DC变换器组成，控制电路包括基准电压及电压误差放大器VA、乘法器M、电流误差放大器CA、脉宽调制器和驱动器等组成，负载可以是一个开关电源。Boost型APFC的工作原理如下：主电路的输出电压与基准电压值比较后，输入给电压误差放大器，电压误差放大器的输出和整流后的输入电压共同加到乘法器中，乘法器的输出作为电流反馈控制的基准值，与检测到的输入电流信号进行比较后，输入到电流误差放大器并加到PWM及驱动器，来控制开关S的通断，从而使输入电流（即电感电流）与整流输入电压波形基本同相，使电流谐波大为减少，提高了输入端功率因数，同时保持输出电压稳定。输入电压检测输入电流检测乘法器+-输出电压检测驱动+-VrefCAVA负载CRVDSVi VoL图3-1Boost有源功率因数校正原理图APFC电路同时具有整流和稳压功能，即整流要求输入功率因数为1，稳压要求输出电压稳定。为此，PFC电路必须同时引入电压和电流反馈构成一个双环控制系统，外环实现输出电压稳定，内环实现输入电流整形，使之成为与输入电压同相位的标准正弦波。现介绍Boost型功率因数校正电路的基本原理9。图3-1所示为一个Boost有源功率因数校正器的原理图。主电路由单相桥式整流器和DC/DC变换器组成，控制电路包括基准电压Vref及电压误差放大器VA、乘法器M、电流误差放大器CA、脉宽调制器和驱动器等组成，负载可以是一个开关电源。Boost型APFC的工作原理如下：主电路的输出电压与基准电压值比较后，输入给电压误差放大器，电压误差放大器的输出和整流后的输入电压共同加到乘法器中，乘法器的输出作为电流反馈控制的基准值，与检测到的输入电流信号进行比较后，输入到电流误差放大器并加到PWM及驱动器，来控制开关S的通断，从而使输入电流（即电感电流）与整流输入电压波形基本同相，使电流谐波大为减少，提高了输入端功率因数，同时保持输出电压稳定。3.2有源功率因数电路的参数设计本文所研究的单相Boost有源功率因数校正器，其技术指标如下：输入交流电压Vin：80270V输入频率：50Hz输出直流电压V0：400V开关频率f5：100KHz输出功率p：500W功率因数PF：0.993.2.1主电路设计1升压电感 电感器在线路中起着能量的传递、储存和滤波等作用，并决定了输入端的高频纹波电流总量，因此按照限制电流脉动最小的原则来确定电感值。考虑最差的情况:输出功率最大，输入电压最低。此时，输入电流最大，纹波也最大，为了保证在这种情况下输入电流的纹波仍然满足要求，电感的设计应