摘要
摘要
近几十年来，由于大功率电力电子装置的广泛使用，使公用电网受到谐波电流和谐波电压的污染日益严重，功率因数低，电能利用率低。为了抑制电网的谐波，提高功率因数，人们通常采用无功补偿﹑有源﹑无源滤波器等对电网环境进行改善。近年来，功率因数校正技术作为抑制谐波电流，提高功率因数的行之有效的方法，备受人们关注。
功率因数校正(简称PFC)技术是电力电子技术的重要组成部分，并已经在越来越多的领域得到应用。上世纪九十年代以来，PFC控制技术越来越多的引起人们的关注。许多控制策略运用于PFC电路中，如平均电流控制﹑峰值电流控制﹑滞环控制等。
本文在参阅国内为大量文献的基础上，综合了近年来国内外功率因数校正的发展状况，简要分析了无源功率因数与有源功率因数的优﹑缺点，并详细分析了有源功率因数校正的基本原理和控制方法，选择BOOST变换器为主电路拓扑，采用MC34261峰值电流控制器。
本文功率因数校正电路的设计，使电路的功率因数得到了明显改善，达到了设计要求，同时电路的总谐波畸变因数控制在了一定的范围，减少了对电网的污染。
关键词功率因数校正 BOOST变换器峰值电流控制
燕山大学本科生毕业设计（论文）
Abstract
The harmonic for voltage and current,lower power factor and lower power efficiency of public power system is serious increasingly because of much big power electronic equipment in resent https://www.doczj.com/doc/318447707.html,ually,reactive compensation,filters for active of power system.But the power factor correction technique is research because it is an effective method to control harmonic and improve power factor by recent years.
Nowadays PFC(Power Factor Correction)inverters that are being used in many filds play an important role in the life.It is used in many applications.During the last decade, there has being a large interest in PFC.Many control methods are explored,including average control, peak current control,hysteretic control,etc. The development for power factor correction both here and abroad in recent years is summarized and the good and bad characteristics for reactive and active power factor correction is analyzed briefly and the basic principle and control methods of active power factor correction is analyzed detailed after read a mass of literatures both here and abroad.The main BOOST converter and MC34261 controller is designed and top of main and control circuit.
The power factor of circuit is improved obviously and satisfied design require after power factor correction and the total harmonic distortion for current is controlled in a band,so the harmonic for voltage and current is reduced.The cicuit was simulated based on MATLAB according to these parameters and correctness of the design is proved firstly after used compare simulation waves.
Keywords PFC（power factor correction）BOOST converter Top current control
目录
摘要....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ I I 第1章绪论.. (1)
1.1课题背景 (1)
1.2谐波电流对电网的危害 (2)
1.3研究的主要内容 (3)
第2章功率因数校正 (4)
2.1功率因数 (4)
2.1.1 功率因数的定义 (4)
2.1.2功率因数校正的基本原理 (6)
2.2功率因数校正的一般方法 (7)
2.2.1无源功率因数校正 (7)
2.2.2有源功率因数校正 (8)
2.3功率因数校正技术的发展趋势 (10)
2.3.1 APFC控制电路硬件的发展趋势 (10)
2.3.2两级PFC技术的现状和发展趋势 (11)
2.3.3单级PFC技术的现状和发展 (11)
2.3.4三相PFC技术的发展 (12)
第1章绪论
第1章绪论
1.1 课题背景
随着工业现代化和电气化的进展，人们对电能质量的要求越来越高。计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备和家用电器等对电能质量有一定的要求，电能质量低可能导致机器无法正常工作甚至不能工作。功率因数的高低直接影响着电能质量的好坏。用电设备过低的功率因数将使电网波形畸变，线路损耗大；降低整个供电系统的功率因数，增大系统供电量；降低用电设备的使用寿命；干扰仪器仪表。
电力能源在人们生产生活中的作用越来越重要，各种各样的用电设备也应运而生，然而大多数的用电设备不是直接使用通用的交流电网提供的交流电作为直接的供电能源，而是通过一定的形式对其进行电压电流的变换，从而得到各自所需的电能形式。电能的主要变换电路形式有AC-DC、DC-DC、DC-AC和AC-AC四大类。其中，AC-DC变换电路俗称整流电路，也就是将交流电能变换为直流电能的电路。整流的方式应用最为广泛，例如家用电器设备电源供电、不间断电源UPS、汽车工业、化工工业、医疗、航天等人类社会活动的各个领域之中。整流电路可以直接为要求较低的电力电子装置提供直流电能。整流电路作为电网与电力电子装置的接口电路，构成直流稳压电源，为电力电子装置提供高质量的直流电能。
功率因数是电力系统的一个重要的技术指标，伴随着电力电子技术的广泛应用，开关器件越来越多地用在各种电能变换装置中。开关器件的引入一方面提高了装置的变换效率，另一方面也带来了谐波污染和功率因数低下等问题。为了消除谐波污染、改善装置的功率因数，功率因数校正技术应运而生。由于环保意识和可持续发展的观念已深入人心，高效率、高品质、无污染地使用电能，已经成为当今世界范围内的潮流，因此功率因数校正技术成为当今功率电子技术领域中的前沿和热点。
鉴于低功率因数带来的危害，功率因数校正变得非常必要，成为电力电子学研究的重要方向之一。改善用电设备功率因数的工作的重点主要是功率因数校正电路拓扑结构的研究和功率因数校正控制集成电路（如
燕山大学本科生毕业设计（论文）
UC3842~UC3855A系列,KA7524,TDA4814等）的开发。
Boost电路作为一种基本的DC／DC变换器，由于具有电感电流连续、储能电感也兼作滤波器、可抑制RFI和EMI噪声、电流波形失真小、输出功率大、共源极使驱动电路简单等优点，已广泛应用于各种电源设计。但典型Boost电路的功率因数及电路传输效率都有待改进。基于此，本设计研究了一种Boost PFC软开关电路，它通过构造辅助软开关电路，最终实现开关管的软开关。
电力电子装置的大量使用给电网带来谐波和无功，造成电网的“污染”，解决这种污染的主要途径之一是使用有源功率因数校正技术。它在传统的整流电路中加入有源开关，通过控制有源开关的通、断来强迫输入电流跟随输入电压变化，从而获得接近正弦波的输入电流和接近1的功率因数本文研究的主要内容是BOOST型功率因数校正电路及其控制系统设计，用以改善系统的功率因数，核心还是在如何提高系统功率因数。
1.2谐波电流对电网的危害
其实谐波污染和由谐波引起的功率因数降低等问题早就存在，只不过由于当时开关器件使用的相对较少，对谐波危害尚无深刻认识，在很长时间里并没有引起人们的足够重视。一般来讲，凡是使用开关器件的装置都会产生谐波，谐波的产生都会引起功率因数的降低。早期的电力电子装置中大量使用的晶闸管和不控整流二极管都是开关器件。因此都会产生谐波污染和功率因数低下等问题。
脉冲状的交流输入电流波形中还有大量的谐波电流成分，大量的谐波电流倒流入电网即谐波辐射（harmonica emissions）会对电网造成污染，谐波就是一定频率的电压或电流作用于非线性负载时,会产生不同于原频率的其它频率的正弦电压或电流的现象。谐波主要有以下主要危害：（1）谐波电流的“二次效应”，即谐波电流流过线路阻抗而造成的谐波电压反过来会使电网电压波形发生畸变，引发电路谐振而造成过电流或过电压而引发事故。
（2）增加附加损耗，降低发电、输电及用电设备的效率和设备利用率。
2
第1章绪论
（3）使电气设备（如变压器、电容器、电机等）运行不正常，加速绝缘老化，从而缩短它们的使用寿命。
（4）使继电保护、自动装置、计算机系统及许多用电设备运转不正常或不能正常动作或操作。
（5）使测量和计量仪器、仪表不能正确指示或计量。
（6）干扰通信系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至损坏通信设备。
可见谐波的存在极大地污染了公共电网的用电环境，必须加以抑制和消除。谐波抑制的途径：一是使用谐波及无功补偿装置，用其产生与电网谐波频率相同但相位相反的谐波，抵消其影响。二是制造不产生谐波的装置。
1.3 研究的主要内容
1、了解功率因数校正的基本原理型PFC电路的控制策略。
2、掌握Boost 型功率因数校正电路的工作原理及其典型控制策略。
3、仿真分析平均电流型Boost功率因数校正电路。
3
燕山大学本科生毕业设计（论文）
4
2.1 功率因数
2.1.1 功率因数的定义
功率因数校正可简单地定义为有功功率与视在功率之比，即：
PF 有功功率无功功率
其中有功功率是一个周期内电流和电压瞬时值乘积的平均值，而视在功率是电流值与电压值的乘积。如果电流和电压是正弦波而且同相，则功率因数是1.0。如果两者是正弦波但是不同相，则功率因数是相位角的余弦。在电工基础课程中，功率因数往往就是如此定义，但是它仅适用于特定情况，即电流和电压都是纯正弦波。这种情况发生在负载由电阻、电容和电感元件组成，而且均为线性（不随电流和电压变化）的条件下。因为输入电路的原因，开关模式电源对于电网电源表现为非线性阻抗。输入电路通常由半波或全波整流器及其后面的储能电容器组成，该电容器能够将电压维持在接近于输入正弦波峰值电压值处，直至下一个峰值到来时对电容再进行充电。在这种情况下，只在输入波形的各峰值处从输入端吸收电流，而且电流脉冲必须包含足够的能量，以便在下一个峰值到来之前能维持负载电压。这一过程通过在短时间内将大量电荷注入电容，然后由电容器缓慢地向负载放电来实现，之后再重复这一周期。电流脉冲为周期的10%到20%是十分常见的，这意味着脉冲电流应为平均电流的5到10倍。下图描述了这种情况。
图2-1. 不带PFC 的典型开关模式电源的输入特性
请注意，尽管电流波形有严重失真，电流和电压仍可以完全同相。应用
第2章 功率因数校正
5 “相位角余弦”的定义会得出电源的功率因数为1.0的错误结论。
图2-2 电流波形的谐波成分
图2-2 显示了电流波形的谐波内容。基波（在本例中为60 Hz ）以100%的参考幅度显示，而高次谐波的幅度则显示为基波幅度的百分比。注意到几乎没有偶次谐波，这是波形对称的结果。如果波形包含无限窄和无限高的脉冲（数学上称为δ函数），则频谱会变平坦，这意味着所有谐波的幅度均相同。顺便说一下，这个电源的功率因数大约为0.6。
作为参考，图2-3 显示了功率因数校正完好的电源输入。它的电流波形和电压波形的形状和相位都极为相似。
图2-3 带接近完美的PFC 的电源输入特性
通过以上分析，功率因数（PF ）定义为有功功率与视在功率的比值，用公式表示为
Φ=Φ*=Φ
==cos cos
cos 1111γrms rms I I I V I V S P
PF
燕山大学本科生毕业设计（论文）
式中：I1表示输入基波电流有效值；
Irms表示输入电流有效值
γ表示输入电流失真系数
cosφ表示基波电压与基波电流之间的相移因数
所以功率因数可以定义为输入电流失真系数γ与相移因数cosφ的乘积。
可见功率因数（PF）由电流失真系数γ和基波电压、基波电流相移因数cosφ决定。cosφ低，则表示用电电器设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大。同时，γ值低，则表示输入电流谐波分量大，将造成输入电流波形畸变，对电网造成污染，严重时，对三相四线制供电，还会造成中线电位偏移，致使用电电器设备损坏。
如何抑制和消除谐波对公共电网的污染，提高功率因数已成为国内外电源界研究的重要课题。PFC技术应用到新型开关电源中，已成为新一代开关电源的主要标志之一。
2.1.2功率因数校正的基本原理
功率因数校正电路基本上是一个AC/DC变换器。一个标准的变换器利用脉冲波宽度调制（PWM）技术来调整输入功率大小，以供应适当的负载所需功率脉冲波宽度调变器控制切换开关（通常是Power MOSFET）将直流输入电压变成一串电压脉冲波，随后利用变压器和快速二极管将其转成平滑的直流电压输出。这个输出电压随即与一个参考电压进行比较，所产生的电压差回馈至PWM控制器。这个误差电压信号用来改变脉冲波宽度的大小，如果输出电压过高，脉冲波宽度会减小，进而使输出电压降低，以使输出电压恢复至正常输出值。
PFC电路也是利用这个方法，但是加入了一个更先进的元件，使得来自交流电源的电流是一个正弦波并与交流电压同相位。此时误差电压信号的调变是由整流后的交流电压和输出电压的变化来控制的，最后误差电压信号回馈至PWM控制器，也就是说，当交流电压较高时，PFC电路就从交流电源吸取较多的功率；反之，若交流电压较低，则吸取较少的功率，如此可以抑
6
制交流电流谐波产生。
2.2功率因数校正的一般方法
由功率因数定义可以知道要提高功率因数，有两个途径：（1）使输入电压、输入电流同相位，此时φcos =1，PF=γ。（2）是输入电流正弦化，即1I I i =（谐波为零），即可以使PF=φγcos =1。从而实现功率因数的校正（Power Factor Correction ）。正如前面多分析的常用的功率因数校正方法主要有有源功率因数校正(APFC)和无源功率因数校正（PPFC ）两大类。有源功率因数校正又有分立元器件和集成电路构成之分，立元器件和集成电路构成的功率因数校正电路又有许多不同的电路形式，而由于采用集成电路构成的功率因数校正电路具有工作可靠、使用性能好等一系列优点，所以采用集成电路组成的有源功率因数校正电路得到了广泛应用。
虽然有源功率因数校正电路效果也比较好，但是电路结构比较复杂，成本较高，无源功率因数校正电路基本采用分立元器件组成，电路结构较有源简单许多，成本也比较低，只要对谐波电流控制适当，也可以是功率因数保持较高状态，可以满足较好校正要求。本文主要讨论有源功率因数校正方法。
2.2.1无源功率因数校正
无源功率因数采用的无源元件多为由电感和电容组成的低通、带通滤波器，工作在交流输入市电的工作频率（50-60Hz ），将输入电流波形进行相移和整形。如果控制的合适的话，系统功率因数可以提高到0.9以上。但由于工作在市电工作频率，电感和电容元件的体积都比较大，因而由它们组成的无源功率因数校正电路的体积也就可能比较大。但电感和电容校正电路具有结构简单的优点，但是另外一方面，他们的补偿特性又容易受到电网阻抗、负载特性的影响，并且会由于和电网阻抗发生谐振而造成电路元器件的损坏，不容易对谐波和无功功率实现动态补偿。
尽管它的特点是简单，无源PFC 电路仍有一些缺点。首先，巨大的电感限制了它在许多应用中的实用性。其次，如上所述，为了能在全球范围内使用，需要一个线路电压范围开关。增加该开关会增大因操作者错误（比如开关位置选择错误）而给电器/系统带来的风险。最后，未稳压的电压会提高
PFC段后直流-直流转换器的成本，并降低其效率。
实际应用证明：一般不加功率因数校正环节的单相整流器对电网的谐波电流污染十分严重，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）一般系统启动时将会产生很大冲击电流，约为正常工作电流的十几倍甚至数十倍。
60左（2）系统正常工作时，由于整流二极管的导通角很小（一般只有0右），会形成一个幅度很高的窄脉冲，电流波峰因数高，电流总谐波畸变率通常超过100%，同时还会引起电网电压波形的畸变。
（3）功率因数都比较低，一般约为0.5～0.6。
2.2.2有源功率因数校正
有源功率因数校正电路按拓扑分类有以下几大类
（1）降压式。因噪声大，滤波困难，功率开关管上电压应力大，控制驱动电平浮动，很少被采用。
（2）升／降压式。须用二个功率开关管，有一个功率开关管的驱动控制信号浮动，电路复杂，较少采用。
（3）反激式。输出与输入隔离，输出电压可以任意选择，采用简单电压型控制，适用于150W以下功率的应用场合。
（4）升压式(Boost)
简单电流型控制，PF值高，总谐波畸变因数(THD)小，效率高，但是输出电压高于输入电压。优点是电路中的电感L适用于电流型控制，由于升压型APFC的预调整作用在输出电容器C上保持高电压，所以电容器C体积小、储能大；在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数；当输入电流连续时，易于EMI滤波；升压电感L能阻止快速的电压、电流瞬变，提高了电路工作可靠性。
另外，按按输入电流的控制原理分类，还有以下几类：
（1）平均电流型（2）滞后电流型（3）峰值电流型（4）电压控制型
几种方法各有优缺点，很多资料和参考书籍上也有相关介绍。研究比较成熟，应用也比较广泛。
图2-3显示了连续模式PFC 的典型方法。升压转换器由一个根据电流命
令信号Vi 对电感电流（转换器的输入电流）进行整形的平均电流模式脉冲宽度调制器(PWM)驱动。此信号Vi 是输入电压Vin 进行幅度变换后的复制品，由电压误差信号除以输入电压的平方得到（经过Cf 滤波，使得它成为和输入幅度成正比的变换系数）。
用误差信号去除以输入电压幅度的平方似乎并不常见。其目的是使环路增益（以及瞬态响应）独立于输入电压。分母中的电压平方函数抵消了VSIN 的幅度和PWM 控制的传递函数（电感中的电流斜率和输入电压成正比）。这个方案的缺点在于乘法器乘积的可变性。这就需要增大功率处理元件的设计余量，以解决最坏情况下的功率耗散。
PWM 控制
交流输入
电压乘以
Km 平方Ks
除以Kd
负载
图2-4 经典PFC 电路的框图
平均电流模式控制采用一个根据控制信号Icp 来稳定平均电流（输入或输出）的控制电路。对于一个PFC 控制器，Icp 由低频直流环路误差放大器产生。电流放大器是电流信号的积分器和误差放大器。它控制波形调整，而Icp 信号控制直流输出电压。电流Icp 在Rcp 上产生了一个电压。为保持电流放大器的线性状态，其输入必须相等。因此，在Rshunt 上的电压降必须等于Rcp 上的电压，因为在电流放大器同相端的输入电阻上没有直流电流。电流放大器的输出是一个基于分路上平均电流的“低频”误差信号和Icp 信号。和电压模式控制电路的情形一样，此信号被拿来同振荡器的锯齿波信号进行比
较，PWM比较器将根据这两个输入信号生成一个占空比。
乘法器的交流参考信号输出(Vi)表示了图3中的PFC转换器的输入电流波形、相位和比例系数。PWM控制器模块的任务是使平均输入电流与参考匹配。为此，一个叫做平均电流模式控制的控制系统将被应用在这些控制器中,这种方案如图4所示。
由上述分析可以得出，对于不同的最终应用要求和主要的推动因素，PFC电路的选择会有所不同。直到最近，仅有一两种拓扑被广泛用于PFC实施。对于较高功率的电路而言，通常选择的拓扑为在连续导电模式(CCM)下工作的升压转换器，并带有平均电流模式控制(ACMC)。对于较低功率的应用，一般使用临界导电模式(CRM)升压拓扑。因为内置PFC的电路应用范围已经拓展，所有对于更多样化的PFC解决方案的需求也正在不断增长。许多新兴的解决方案使用了成熟拓扑的变形，一些真正创新的技术也已涌现。
振荡器
电流放大
器输出地输出
图2-5. 平均电流模式控制电路图
2.3功率因数校正技术的发展趋势
2.3.1 APFC控制电路硬件的发展趋势
APFC控制电路的硬件形式正向两个方向发展，一是用于APFC的集成控制电路的研发，国外有多家公司生产用于APFC的专用集成控制器。集成控制器具有体积小、功能强、系统电路简单等优点，因此得到了广泛应用。二是将控制电路的功能融合到整个AC/DC变换器系统中的电路形式。这种硬件
形式不再附加控制器，甚至不再单设开关变换器，而是充分利用某一具体AC/DC变换器的特点，将开关变换器和集成控制器的功能融合到整个系统中去。这种硬件形式是AC/DC技术发展的新方向。
2.3.2两级PFC技术的现状和发展趋势
目前文献上研究的两级PFC技术一般都是指Boost PFC前置级和后随的DC/DC功率变换级。对Boost PFC前置级而言，研究的热点主要有两个，一是功率级的进一步完善，二是PFC控制的简化。因为在Boost电路中输出电压比输入电压高，所以最低的中间母线电压也必须大于最高输入电压的峰值，这是由电网电压的范围决定的。在我国如果仅考虑单相输入且最高电压为270V，则该母线电压就须设置为385V～400V。开关的开通损耗和二极管的反响恢复损耗在PWM硬开关工作状态下都回相当大，因此最大的问题是如何减少或者消除这两种损耗。相应地就有许多软开关Boost变换器理论的研究，现在较具代表性的有两种技术，其中一种是有源吸收技术，另一种是无源吸收技术。
除了功率级的软开关技术研究外，另一个人们较为关注的研究方向是PFC的控制技术。目前最为常用的控制技术有三种，即平均电流控制Boost PFC、CCM/DCM边界控制Boost PFC以及电流箝位控制Boost PFC,下面研究平均电流控制Boost PFC。
平均电流控制Boost PFC通过检测Boost电感电流并与正弦电流基准信号进行比较，所得的误差信号经放大后再与斜坡信号进行比较，产生PWM占空比信号去控制主开关，以实现单位功率因数和稳定输出电压。其中正弦电流基准信号由乘法器输出获得。这种技术的电压环带宽控制在20Hz以下，电流环则要求足够快的以满足不失真和低谐波的要求。优点是定频控制，功率因数较高；缺点是要检测电感电流，控制器外围参数设置和选择较为复杂。
2.3.3单级PFC技术的现状和发展
研究单级PFC技术的目的是减少元器件数量，降低成本，提高效率简化控制等。与传统的两级电路相比，省掉了一个MOSFET,但增加了一个二极管。另外其控制采用一般的PWM方式，故相当简单。为了保证高输入功率因数，
输入电感的电流应当为电流不连续模式，在这里控制器的作用是保证快速、稳定输出。功率因数的高低、谐波电流的高低与电感L的大小和电路的拓扑结构密切相关，这就是近年研究单级PFC结构的真正动机。
单级PFC技术的研究仍呈上升的趋势，原因是其性能尚未打到最优，许多问题有待进一步解决。
2.3.4三相PFC技术的发展
依据目前三相PFC技术的发展情况，在今后几年三相PFC技术的发展热点问题将主要集中在几个方面：新的拓扑结构的提出；新的控制方法；将其他开关电路组合到三相PFC电路中；研究磁放大式PFC技术；软开关技术。
2.4本章小结
有源功率因数校正技术蓬勃发展，平均电流型有源功率因数校正技术适用于大功率，成为工业设计中首选方式。
第3章单项功率因数校正技术
我们这里介绍的功率因数校正技术由于使用了有源器件，所以叫做有源功率因数校正（Active Power Correction）。一般地讲，所有的变流器拓扑，如Buck、Boost、Flybick、Cuck等都可以用作PFC的主电路。但是，由于Boost 电路的特殊特点。是他用于PFC较其它电路更为广泛。我们这里也以Boost 电路为背景，介绍PFC的基本原理和实现方面的问题。
3.1Boost型PFC电路的构成及特点
3.1.1Boost型PFC电路的构成
Boost型有源功率因数校正电路的构成示于图3-1。它是在不控整流桥之后接Boost（DC/DC）变换器电路构成。
图3-1 Boost型PFC电路原理图
PFC的工作原理如下：主电路的输出电压和基准电压比较后，送给电压误差放大器，然后以整流电压的检测值作为调制信号，与电压误差放大器的输出电压信号共同加到乘法器进行调制，其输出值作为控制电感电流的给定信号。这个给定信号与电感电流检测（反馈）信号比较后，差值送给电流调节器。电流调节器的输出经过调制装换成与电流调节器输出信号成正比的占空比电平，控制开关工作达到使电感电流跟踪整流电压，从而实现功率因数校正的目的。输入电流越接近正弦电压，电流中的谐波含量就越少，功率因数也就越接近于1。
3.1.2 Boost型PFC的特点
优点：
1. 输入电流连续。EMI小。
2. 有输入电感，抗瞬态冲击性强。
3. 开关器件驱动容易（其源级参考点与电源零是一点）。
4. 器件承受的电压不高于输出电压。
缺点：
1. 输出输入之间无绝缘隔离。
2. 若开关二极管输出电容之间存在杂散电感（导线的分布参数），则高频工作时容易产生震荡过压。对开关安全运行造成危险。
咋一看优点中的第四点和缺点中的第二点的提法互相矛盾，其实这是一个问题的两个方面。如果二极管的开关特性优异，开通时间很短，开关S、二极管D、输出电容的导线回路很短，基本上没有杂散电感，则通过二极管和电容就可以很好的实现对开关电压的钳位。反之，高频工作时就可能出现高频振荡导致的瞬态过电压。
其实在其它拓扑中也存在因分布参数导致的特殊问题，必须具体问题具体分析。
3.2 Boost型有源功率因数校正的控制方法
对于图3-1的拓扑。实现功率因数校正有几种工作方式可供选择。从电感电流是否连续可分为CCM(Coutinuum Current Mode)模式和DCM （Disconnected Current Mode）模式两类。这里我们仅介绍CCM模式。CCM 模式下工作的Boost型PFC仍有三种方式：电流峰值控制发、平均电流控制发和滞环电流控制法。各种控制方法的区别主要体现在控制系统的构成上。
3.2.1电流峰值控制法
电流峰值控制法的系统构成示于图3-2。电压环的构成与图3-1没有区别，电流环的反馈电流取自电感电流，但开关的控制电平到低取决于电感电流峰值是否达到电流给定值。这样在控制上就保证了电感电流的峰值不超过给定的电流指令。由于电感电流连续且纹波很小的情况下电感电流峰值与平均电流很接近，因此这种方法可以很好地实现PFC。但是，需要注意的是，这个前提条件实际是要求输入电感必须足够大。因为开关的门极电平影响电感电流的高频调制，当开关闭合时电感电流上升，当电感电流达到指令电流值时开关断开，在下一个周期内，开关将再一次闭合重复工作。因此如果电感值不够大，电感电流将很快衰减，造成较大的电流谐波使电流波形的质量下降。
图3-2 电流峰值发控制的Boost型PFC电路原理图另外，当电感电流以工频频率从零逐渐变化到最大值时，开关的占空比由大逐渐变小，占空比有时大于0.5，有时小于0.5，因此有可能产生谐波震荡（Sub-harmonic Oscillation）。为了防止震荡，必须在比较器的输入端正加一个斜率补偿器（Slope compensation）。
峰值电流控制发的主要优点是：
1 恒频控制
2 电流连续，开关电流定额小。电流有效值小，EMI小
3 控制易于实现
4 可实现快速电流保护，由于开关电流的峰值就是电感电流的峰值，故
可以用开关电流检测值实现控制
峰值电流控制法的主要不足是：
1 电感电流峰值与高频状态空间平均值之间的误差在一定条件下相当
大，以至于无法满足低谐波含量的要求
2 另外峰值电流控制法对噪声相当敏感，这会对控制效果造成影响
可以实现峰值电流控制的IC有ML4812、ML4819、TK84812、TK84819等。
3.2.2平均电流控制法
平均电流控制法的系统构成示于图3-3。它与峰值电流控制法的区别在于电流调节器。峰值电流控制法的电流控制器是由比较器实现的，而平均电流控制法的电流调节器是有一个积分调节其实现的。由积分的平均作用实现了对开关占空比的调节，使电流实现了平均值控制。
由于电流调节器有较高的通频带，可以快速而精确地对电流误差进行校正，故容易实现接近于1的功率因数。实际上，要想使输入电流在工频半周期内的上升段和下降段都很好地跟踪直流电压是有一定困难地，这是由于在恒频工作条件下两个阶段中导致电感电流的变化的外部条件是不同的。反映在峰值电流控制系统中是需要加入斜坡补偿函数，反映在平均电流控制中则是需要对电流环加入补偿网络。相比之下补偿网络的加入相对容易些。
平均电流控制法的主要优点是：
1 恒频控制
2 电流连续，开关电流定额小。电流有效值小，EMI小
3 能抑制开关噪声
4 输入电流失真小
平均电流控制法的主要不足是：
1 控制电路复杂
2 需要电流环补偿网络
可用于电流平均控制的IC有：UC3854、TK83854、ML4821等。
2 kW 有源功率因数校正电路设计 概述：有源功率因数校正可减少用电设备对电网的谐波污染，提高电器 设备输入端的功率因数。详细分析有源功率因数校正APFC(active power factor corrector)原理，采用平均电流控制模式控制原理，设计一种2 kW 有源功率因数校正电路。实验结果表明：以TDA16888 为核心的有源功率因数校 正器能在90～270 V 的宽电压输入范围内得到稳定的380 V 直流电压输出，功率因数达O．99，系统性能优越。 1 引言 目前家用电器的功率前级多采用二极管全桥整流方式，这会造成电网谐波 污染，功率因数下降，无功分量主要为高次谐波，其中三次谐波幅度约为基 波幅度的95％，五次谐波幅度约为基波幅度的70％．七次谐波幅度约为基波幅度的45％。高次谐波会对电网造成危害，使用电设备的输入端功率因数 下降，而且产生很强的电磁干扰(EMI)，对电网和其他用电设备的安全运行造 成潜在危害。 有源功率因数校正电路(Active Power Factor Corrector，APFC)可将电源的输入电流变换为与输入市电同相位的正弦波，从而提高电器设备的功率因数， 减少对电网的谐波污染。理论上，降压式(Buck)、升压式(Boost)、升／降压式(Boost-Buck)以及反激式(Flyback)等变换器拓扑都可作为APFC 的主电路。其中，Boost APFC 是简单电流型控制，功率因数值高，总谐波失真小，效率高，但输出电压高于输入电压，适用于75～2 000 W 功率电源，应用广泛。因为升压式APFC 的电感电流连续，储能电感可作为滤波器抑制射频干扰(RFI)和EMI 噪声，并防止电网对主电路的高频瞬态冲击．电路有升压斩波电路，输出电压大于输入电压峰值，电源允许的输入电压范围扩大，通常可达
功率因数校正之基本原理 何谓工率因数？ 功率因数（power factor；pf）定义为实功（real power；P）对视在功率（apparent power；S）之比，或代表电压与电流波形所形成之相角之余弦，如图1。功率因数值可由0至1之间变化，可为电感性（延迟的、指标向上）或电容性（领先的、指标向下）。为了降低电感性之延迟，可增加电容，直到pf为1。当电压与电流波形为同相时，工率因数等于1（cos(0o)=1）。所有努力使工率因数等于1是为了使电路为纯电阻化（实功等于视在功率）。 ▲图1: 功率因数之三角关系。 实功（瓦特）可提供实际工作，此为能量转换元素（例如电能到马达转动rpm）。虚功（reactive power）乃为使实功完成实际工作所产生之磁场（损耗）。而视在功率可想成电力公司提供之总功率，如图1所示。此总功率经由电力线提供产生所需之实功。 当电压与电流皆为正弦波时，如前述定义之功率因数（简称为功因）为电压与电流波形之对应相角，但大部份之电源供应器之输入电流乃非正弦波。当电压为正弦波而电流为非正弦波时，则功因包括两个因素：1)相角位移因素，2)波形失真因素。等式1表示相角位移与波形失真因素之于功因的关系。 ----------------------------------------------------(1)
Irms(1)为电流之主成份，Irms电流之均方根值。因此功率因数校正线路是为了使电流失真最小，且使电流与电压同相。 当功因不等于1时，电流波形没有跟随电压波形，不但有功率损耗，且其产生之谐波透过电力线干扰到连接同一电力线之其它装置。功因越接近1，几乎所有功率皆包含于主频率，其谐波越接近零。 ■了解规范 EN61000-3-2对交流输入电流至第40次谐波规范。而其class D对适用设备之发射有严格之限制（图2）。其class A要求则较宽松（图3）。 ▲图2:电压与电流波形同相且PF=1(Class D)。
定稿日期：２００８－０２－１８ 作者简介：黄海宏（１９７３－），男，江西省清江人，副教授， 研究方向为电力电子和传动方面。 １引言 直流操作电源系统是发电厂、变电站中不可缺少的二次设备之一，由整流电源、蓄电池组和馈电部分组成。通常情况下，整流电源的作用是ＡＣ／ＤＣ变换，在对蓄电池组充电的同时，通过馈电部分向直流负荷供电；在交流停电时，蓄电池组通过馈电部分向直流负荷供电，以保证直流负荷不停电。目前，直流操作电源普遍采用高频开关电源模块并联运行方式，与传统的晶闸管相控电源相比，其技术指标优异，如稳压、稳流精度高，纹波系数低，易与阀控密封铅酸蓄电池组一起组成直流电源成套装置。由于开关电源输入端有整流、电容平波电路，使其输入电流 呈尖脉冲状，功率因数通常只有０．６～０．７， 会对电网造成谐波污染，造成电力公害，干扰其他用电设备，使测量仪表产生较大误差。为降低电源装置对电网的污染，电力用开关电源需加功率因数校正电路。 ２有源功率因数校正基本原理 目前，功率因数校正有无源功率因数校正（ＲＰＦＣ）和有源功率因数校正（ＡＰＦＣ）两种。ＲＰＦＣ方法是在输入端加入电感量很大的低频电感，并降低滤波电容的容量，以减小滤波电容充电电流的尖峰，校正后的功率因数能达到０．９以上，一般用于三相输入的大功率开关电源模块［１］。 ＡＰＦＣ的基本思路是在输入端加入高频功率开 关管及相应的控制器，如图１所示。控制器通过采集交流输入电压、输入电流和输出电压信号，利用输出电压控制环的输出ｕｏ（ｔ）与输入整流后的电压ｕＡＣ（ｔ） 相乘，得到一个电流参考信号ｉｒｅｆ（ｔ） ，用于控制功率管ＶＴ的导通和关断，使得电感Ｌ电流ｉＬ波形跟踪 ｉｒｅｆ（ｔ）波形，从而使输入交流平均值波形跟随输入电压波形，成为与输入电压同相位的近似正弦波，而且可使功率因数接近于１，同时使输出电压ｕｏ（ｔ）得到控制［２］。目前，国内ＡＰＦＣ方法主要用于单相输入的开关电源模块，其中采用ＵＣ３８５４作为ＡＰＦＣ的控 制用集成电路较为普遍。 ３数字控制ＡＰＦＣ电路 随着计算机和信息技术的飞速发展，数字信号处理技术得到了迅速发展。数字控制使得电力电子变换控制更为灵活，在ＣＰＵ计算速度允许的情况下，可以实现模拟控制难以做到的复杂控制算法，即使在控制对象改变的情况下，也无需修改控制器硬件，而只需修改某些参数，因此增强了系统的兼容性。由于数字控制所采用的ＣＰＵ计算速度决定了数字控制系统的适用场合，故现在的数字控制多被用于 数字控制有源功率因数校正器的设计 黄海宏１，王海欣１，高 格２，付 鹏２ （１．合肥工业大学，安徽合肥２３０００９；２．中国科学院等离子体物理研究所，安徽合肥２３００３１） 摘要：直流电源系统是变电站的重要组成设备，它可为负载提供不间断电源，因此要求应用于直流电源的高频开关 电源模块必须具备功率因数校正功能。利用Ｆｒｅｅｓｃａｌｅ新型号ＭＣ５６Ｆ８０２５的高性能特性，完成了基于ＤＳＰ的具有软开关特性的数字控制有源功率因数校正（ＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ， 简称ＡＰＦＣ）电路的设计，描述了系统设计过程。最后通过２．２ｋＷ的实验样机验证了数字控制的优良特性。 关键词：功率因数；数字控制／有源功率因数校正；开关电源；软开关中图分类号：ＴＭ７１４．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１０００－１００Ｘ（２００８）０５－００１７－０３ ＤｅｓｉｇｎｏｆＤｉｇｉｔａｌＣｏｎｔｒｏｌＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎＲｅｃｔｉｆｉｅｒ ＨＵＡＮＧＨａｉ－ｈｏｎｇ１，ＷＡＮＧＨａｉ－ｘｉｎ１，ＧＡＯＧｅ２，ＦＵＰｅｎｇ２ （１．ＨｅｆｅｉＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈｅｆｅｉ２３０００９，Ｃｈｉｎａ； ２．ＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＰｌａｓｍａＰｈｙｓｉｃｓ，ＣｈｉｎｅｓｅＡｃａｄｅｍｙｏｆＳｃｉｅｎｃｅ，Ｈｅｆｅｉ２３００３１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＴｈｅＤＣｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｉｓａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｄｅｖｉｃｅｉｎｓｕｂｓｔａｔｉｏｎｓ，ｉｔｃａｎｓｕｐｐｌｙｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄｐｏｗｅｒｆｏｒｌｏａｄ，ｔｈｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｓｗｉｔｃｈｍｏｄｅｐｏｗｅｒｍｏｄｕｌｅｍｕｓｔｈａｖｅｆｕｎｃｔｉｏｎｏｆｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ．ＢａｓｅｄｏｎｎｅｗＤＳＰｃｈｉｐＭＣ５６Ｆ８０２５，ａｄｉｇｉｔａｌａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎｒｅｃｔｉｆｉｅｒｗｉｔｈｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｗａｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｔｈｅｐｒｏｃｅｓｓｏｆｓｙｓｔｅｍｄｅｓｉｇｎｗａｓｄｅｓｃｒｉｂｅｄ．Ａｔｌａｓｔａ２．２ｋＷｐｒｏｔｏｔｙｐｅｗａｓｂｕｉｌｔｔｏｖｅｒｉｆｙｔｈｅｆａｖｏｒａｂｌｅｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｒｅｓｕｌｔｅｄｆｒｏｍｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒ；ｄｉｇｉｔａｌｃｏｎｔｒｏｌ／ａｃｔｉｖｅｐｏｗｅｒｆａｃｔｏｒｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ；ｓｗｉｔｃｈｍｏｄｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙ；ｓｏｆｔｓｗｉｔｃｈｉｎｇ 图１有源功率因数校正电路框图 １７
功率因数校正方案 方案一：采用数字控制 方案：采用MCU （微控制单元）或DSP（数字信号处理）通过编程控制完成系统的功率因数校正。，MCU 时刻检测输入电压、输入电流以及输出电压的值，在程序中经过一定的算法后输出PWM 控制信号，经过隔离和驱动控制开关管，从而提高输入端的功率因数。采用数字控制的优点是通过软件调整控制参数，使系统调试方便，减少了元器件的数量。缺点是软件编程困难，采样算法复杂，计算量大，难以达到很高的采样频率，此外还要注意控制器和主电路的隔离和驱动。 方案二：采用模拟控制 方案：采用专用PFC（功率因数校正）控制芯片来完成系统功率因数的校正。整流后的线电压与误差放大器处理的输出电压相乘，建立电流的参考信号，该参考信号就具有输入电压的波形，同时也具有输出电压的平均幅值。因此在电流反馈信号的作用下，误差放大器控制的PWM 信号基本变化规律是成正弦规律变化的，于是得到一个正弦变化的平均电流，其相位与输入电压相同，达到功率因数校正的目的。该方案的优点是，使用专用IC 芯片，简单直接，无需软件编程。缺点是电路调试麻烦，易受噪声干扰。模拟PFC 控制是当前的工业选择，且技术成熟，成本低，使用方便。通过比较，系统选用方案二，采用TI 公司专用PFC 控制芯片UCC28019 来完成功率因数的校正。 方案一：LC校正电路根据电感电流不能突变的原理，整流后采用LCC滤波电路,可在一定程度上提高功率因素PF，一般可达0.8～0.9。优点是电路简单、可靠性高、成本低、EMI（电磁干扰）小；缺点是体积大、重量重，电感损耗较大，PF很难接近1。 方案二：填谷式PF校正电路使用电容C1～C2及二极管D5～D7构成填谷式滤波电路，扩展了整流二极管电流波形导通角θ，二极管D6后可串联浪涌电流限制电阻R，可将PF提高到0.8～0.9之间。该电路优点：体积略小于LC校正电路，可靠性高，EMI小，PF也容易达到0.85以上；缺点是输出功率小，只能用在输出功率小于25W的AC-DC变换器中，损耗相对较大，输入电压允许变化范围小，一般不超过15%。电路原理图如图2.1所示。 2.1 填谷式电路 方案三：有源功率因素校正(APFC)电路在整流器与负载之间插入具有特定功能的DC-DC变换器，使输入电流波形尽可能接近正弦波，构成有源功率因素校正电路（APFC）。该技术优点是：电路体积小，校正后的PF接近1；输入电压变化范围大，目前支持全电压范围(90V～265V)的APFC电路技术非常成熟、应用也很普及，因此在输出功率为20W～300W的AC-DC 变换器中使用APFC电路来改善电流波形THD（总谐波失真）参数较为合适。缺点是：该电
电力电子技术课程设计 班级 学号
目录 一．课程设计题目 (2) 二．课程设计容 (2) 三．所设计电路的工作原理(包括电路原理图、理论波形) 2四．电路的设计过程 (3) 五．各参数的计算 (3) 六．仿真模型的建立，仿真参数的设置 (3) 七．进行仿真实验，列举仿真结果 (4) 八．对仿真结果的分析 (6) 九．结论 (7) 十．课程设计参考书 (7)
一．课程设计题目 Boost 变换器研究 二．课程设计容 1． 主电路方案确定 2． 绘制电路原理图、分析理论波形 3． 器件额定参数的计算 4． 建立仿真模型并进行仿真实验 6． 电路性能分析 输出波形、器件上波形、参数的变化、谐波分析、故障分析等 三．所设计电路的工作原理(包括电路原理图、理论波形) 分析升压斩波电路的工作原理时，首先假设电路中电感L 值很大，电容C 值也很大。当可控开关V 处于通态时，电源E 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u ?为恒值，记为U O 。设V 处于通态的时间为on t ,此阶段电感L 上积累的能量为on t EI 1。当V 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V 处于断态的时间为off t , 则在此期间电感L 释放的能量为 ()off t I E U 10-。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 ()off on t I E U t EI 101-= 化简得 E t T t t t U off off off on = +=
ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理 ＰＦＣ开关电源功率因数校正原理 一、什么是功率因数补偿，什么是功率因数校正： 功率因数的定义为有功功率与视在功率的比值． 功率因素补偿:这项技术主要是针对因具有感性负载的交流用电器具的电压和电流不同相(图1)而引起的供电效率低下,提出的改进方法(由于感性负载的电流滞后所加电压,电压和电流的相位不同,使供电线路的负担加重,导致供电线路效率下降,这就要求在感性用电器具上并联一个性质相反的电抗元件.用以调整该用电器具的电压、电流相位特性.例如:当时要求所使用的40W日光灯必须并联一个4.75μF的电容器).用电容器并联在感性负载的两端,利用电容上电流超前电压的特性,用以补偿电感上电流滞后电压的特性,使总的特性接近于阻性,从而改善效率低下的方法叫做功率因数补偿(交流电的功率因数可以用电源电压与负载电流两者相位角的余弦函数值cosφ表示)。 图1 在具有感性负载中供电线路中电压和电流的波形
常规开关电源功率因数低是由于开关电源都是在整流后,用一个大容量的滤波电容使输出电压平滑,因此负载特性呈现容性.这就造成了交流220V在整流后,由于滤波电容的充、放电作用,在其两端的直流电压上出现略呈锯齿波的纹波.滤波电容上电压的最小值远非为零,与其最大值(纹波峰值)相差并不多. 图2 全波整流电压和AC输入电流波形 因为根据整流二极管的单向导电性,只有在AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时,整流二极管才会因正向偏置而导通,而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时,整流二极管因反向偏置而截止.也就是说,在AC线路电压的每个半周期内,只是在其峰值附近,二极管才会导通.虽然AC输入电压仍大体保持正弦波波形,但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲,如图2所示.这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份,引起线路功率因数严重下降. 在正半个周期内(180o),整流二极管的导通角大大小于180o,甚至只有30o～70o.由于要保证负载功率的要求,在极窄的导通角期间,会产生极大的导通电流,使供电电路中的供电电流呈脉冲状态.它不仅降低了供电的效率,更为严重的是,它在供电线路容量不足或电路负载较大时,会产生严重的交流电压波形畸变(图3),并产生多次谐波,从而干扰了其它用电器具的正常工作(这就是电磁干扰－EMI和电磁兼容－EMC问题)。
无源功率因数校正电路的原理和应用 摘要:本文介绍SIEMENS公司提出的开关电源集成控制器TDA16846无源功率因数校正(PFC)电路原理及其在电视机开关电源中的应用。功率因数的改善是基于一个特殊的由电感,电容及二极管组成的充电泵电路,该电路在功率管的高压端兼起吸收缓冲作用,因此它具有输入谐波电流分量小,PF值高以及EMI小、电路简单、成本低和可靠性高等优点。这为电视机厂家提供了一个高效价廉的解决电源谐波问题的新方案。 关键词:开关电源功率因数校正 一、引言 众所周知,目前电视机和大部分通用电器都广泛地从交流电网中提取电能经整流后变成直流电供全机使用,AC电源经桥式整流后常接一个滤波平整电容。由于该电容的存在,使整流臂的导通时间小于半个周期,因而做成输入电源电压是正弦形,而输入电流却是正负交替的脉冲形。后者导致大量电流谐波特别是三次谐波的产生,这既构成对电网效能的干扰和损害,又降低了本机功率因数,为此，我国跟欧美各国一样，已于去年12月1日起正式实施限制功耗大于75W的通用电器产品输入谐波电流的新规定。面对这种新情况,当前各电器厂家都必须考虑更新产品中的电源设备,尤其是对25英寸以上的彩色电视机,过去国内产品绝大部分都没有安装PFC电路,其PF值一般在0.55～0.65之间,输入电流谐波分量往往超出国家限定的标准,因此改进电源电路,增加PFC功能以便降低电视机的输入电流谐波分量是各厂家的当务之急。 本文介绍由SIEMENS公司推出的与开关电源集成控制器TDA16846配合使用的一个无源功率因数校正(PFC)电路,该电路能将电源PF值提高到0.9以上,与有源PFC电路相比,它明显地具有结构简单,成本低,可靠性高,和EMI小等优点,因此对电视机厂家来说,不失为一个有效的解决电源谐波问题的可行方案。 二、无源PFC电路工作原理介绍 图1示出一个不含PFC的标准型电源电路的输入电压Vm和输入电流Im波形,Im只在Vm为正最大和负最大的一小段时间内流通,在这些时间以外,Im为零。这是因为此时的正弦电压输入值小于泸波电容上的电压,导致整流二极管不导通的缘故。
逆变电源中功率因数校正 中心议题：逆变电源中功率因数校正逆变电源系统功率因数及谐波干扰问题分析 解决方案：采用单级PFC电路的逆变器 由于对性能要求的不断提高，特别是当前“绿色”电源的呼声越来越高，现代逆 变器系统对功率因数校正和电流谐波抑制提出的更高的要求。本文对功率因数校正在现代逆 变电源中的应用作了简要介绍。分析比较了几种带有PFC功能的逆变器构成方案，分析结果 表明带单级隔离型PFC电路的两级逆变器具有更高的可靠性，更高的效率和更低的成本。1 现代逆变电源系统的组成和结构随着各行各业控制技术的发展和对操作性能要求的提高，许 多行业的用电设备都不是直接使用通用交流电网提供的交流电作为电能源，而是通过各种形 式对其进行变换，从而得到各自所需的电能形式。现代逆变系统就是一种通过整流和逆变组 合电路，来实现逆变功能的电源系统。逆变系统除了整流电路和逆变电路外，还要有控制电路、保护电路和辅助电路等。现代逆变系统基本结构。 图1 逆变系统基本结构框图 现代逆变系统各部分功能如下：1. 整流电路：整流电路就是利用整流开关器件，如半导体二 极管、晶闸管(可控硅)和自关断开关器件等，将交流电变换为直流电。除此之外，整流电路 还应具有抑制电流谐波和功率因数调整功能。2. 逆变电路：逆变电路的功能是将直流电变换 成交流电，即通过控制逆变电路的工作频率和输出时间比例，使逆变器的输出电压或电流的 频率和幅值按照人们的意愿或设备工作的要求来灵活地变化。3. 控制电路：控制电路的功能 是按要求产生和调节一系列的控制脉冲来控制逆变开关管的导通和关断，从而配合逆变器主 电路完成逆变功能。4. 辅助电路：辅助电路的功能是将逆变器的输入电压变换成适合控制电 路工作需要的直流电压。对于交流电网输入，可以采用工频降压、整流、线性稳压等方式， 当然也可以采用DC-DC变换器。5. 保护电路：保护电路要实现的功能主要包括：输入过压、欠压保护；输出过压、欠压保护；过载保护；过流和短路保护；过热保护等。2 逆变电源系 统功率因数及谐波干扰问题分析对于逆变器的整流环节（AC-DC），传统的方法仍采用不控整 流将通用交流电网提供的交流电经整流变换为直流。虽然不控整流器电路简单可靠，但它会 从电网中吸取高峰值电流，使输入端电流和交流电压均发生畸变。也就是说，大量的电器设 备自身的稳压电源，其输入前置级电路实际上是一个峰值检波器，在高压电容滤波器上的充 电电压，使得整流器的导通角缩短三倍，电流脉冲成了非正弦波的窄脉冲，因而在电网输入 端产生失真很大的谐波峰值干扰，。(a) 电网输入端电流和电压的畸变 (b)峰值电流中的 各次谐波分量频谱 图2 传统整流电路输入端电网电压和电流失真与谐波干扰分量图 推荐相关文章：开关电源的几种热设计方法手机LED背光电源管理的设计需求2011半导体发 展趋缓，逆变器前景最好肖特基二极管在电源管理中的应用分析电源模块并联供电的冗余结 构及均流技术反激电源的设计反激电源’电源已接通未充电‘问题的解决办法！ 单相电源与三相电源的区别什么是脉冲电源 由此可见，大量整流电路的应用使电网供给严重畸变的非正弦电流，对此畸变的输入电流进 行傅立叶分析，发现它不仅含有基波，还含有丰富的高次谐波分量。这些高次谐波倒流入电网，引起严重的谐波污染，使输入端功率因数下降，将造成巨大的浪费和严重危害。输入电 流谐波的危害主要有：（1）使电能的生产、传输和利用的效率降低，使得电器设备过热、产 生振动和噪声并使绝缘老化，使用寿命缩短，甚至发生故障或烧毁。（2）可引起电力系统局 部并联谐振或串联谐振，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。（3）使测量仪器产生附 加谐波误差。常规的测量仪器是设计并工作在正弦电压、电流波形的，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
网络教育学院《电源技术》课程设计 题目：功率因数校正（PFC）技术的研究 学习中心：辽宁东港奥鹏 层次：高中起点专科 专业：电气工程及其自动化 年级： 2010年春季 学号： 学生： 辅导教师：武东锟 完成日期： 2012年 2 月 24 日
内容摘要 本文对于单相与单相PFC技术及其控制方法的研究，针对于各种功率因数校正，介绍了相应的基本工作原理，和功率因数校正技术的额发展和其主要最主要特点。从主电路的拓扑形式和控制方式分析有源功率因数校正。进而更好的学习电源技术。 关键词：功率因数校正；PFC技术；控制方法；有源功率因数
引言、 功率因数是衡量电器设备性能的一项重要指标。功率因数低的电器设备，不仅不利于电网传输功率的充分利用，而且往往这些电器设备的输入电流谐波含量较高，实践证明，较高的谐波会沿输电线路产生传导干扰和辐射干扰，影响其它用电设备的安全经济运行。如对发电机和变压器产生附加功率损耗，对继电器、自动保护装置、电子计算机及通讯设备产生干扰而造成误动作或计算误差。因此。防止和减小电流谐波对电网的污染，抑制电磁干扰，已成为全球性普遍关注的问题。国际电工委与之相关的电磁兼容法规对电器设备的各次谐波都做出了限制性的要求，世界各国尤其是发达国家已开始实施这一标准。 随着减小谐波标准的广泛应用，更多的电源设计结合了功率因数校正(PFC)功能。设计人员面对着实现适当的PFC段，并同时满足其它高效能标准的要求及客户预期成本的艰巨任务。许多新型PFC拓扑和元件选择的涌现，有助设计人员优化其特定应用要求的设计。
1功率因数校正基本原理及方法 1.1功率因数校正基本原理 功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电力利用率越高。开关电源供应器上的功率因数校正器的运作原理是去控制调整交流电电流输入的时间与波型，使其与直流电电压波型尽可能一致，让功率因数趋近于。这对于电力需求量大到某一个水准的电子设备而言是很重要的, 否则电力设备系统消耗的电力可能超出其规格，极可能干扰铜系统的其它电子设备。 PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量(视在功率)之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量(视在功率)的比值。基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种，一种为被动式PFC（也称无源PFC）和主动式PFC（也称有源式PFC）。 1.1.1拓扑选择的一般方法 由于输入端存在电感，升压转换器是提供高功率因数的方法。此电感使输入电流整形与线路电压同相。但是，可以采用不同的方案来控制电感电流的瞬时值，以获得功率因数校正。 a．临界导电模式(CRM)PFC——由于控制的设计较为简单，而且可与较低速升压二极管配合使用，所以在较低功率应用中通常采用此方法。 b．不连续导电模式(DCM)PFC——此创新的方案延承了CRM 的优点，并消除了若干限制。 c．连续导电模式(CCM)PFC——由于这种方案恒频且峰值电流较小，是较高功率(>250 W)应用的首选方案。但是，传统的控制解决方案较为复杂，牵涉到多个环
功率因数校正(英文缩写是PFC)是 目前比较流行的一个专业术语。PFC 是在20世纪80年代发展起来的一项新技术，其背景源于离线开关电源的迅速发展和荧光灯交流电子镇流器的广泛应用。PFC 电路的作用不仅仅是提高线路或系统的功率因数，更重要的是可以解决电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。 线路功率因数降低的原因及危害 导致功率因数降低的原因有两个，一个是线路电压与电流之间的相位角中，另一个是电流或电压的波形失真。前一个原因人们是比较熟悉的。而后者在电工学等书籍中却从未涉及。 功率因数(PF)定义为有功功率(P)与视在功率(S)之比值，即PF=P/S 。对于线路电压和电流均为正弦波波形并且二者相位角Φ时，功率因数PF 即为COS Φ。由于很多家用电器(如排风扇、抽油烟机等)和电气设备是既有电阻又有电抗的阻抗负载，所以才会存在着电压与电流之间的相位角Φ。这类电感性负载的功率因数都较低(一般为0.5-0.6)，说明交流(AC)电源设备的额定容量不能充分利用，输出大量的无功功率，致使输电效率降低。为提高负载功率因数，往往采取补偿措施。最简单的方法是在电感性负载两端并联电容器，这种方法称为并联补偿。 PFC 方案完全不同于传统的“功率因数补偿”，它是针对非正弦电流波形而采取的提高线路功率因数、迫使AC 线路电流追踪电压波形的瞬时变化轨迹，并使电流与电压保持同相位，使系统呈纯电阻性的技术措施。 长期以来，像开关型电源和电子镇流器等产品，都是采用桥式整流和大容量电容滤波电路来实现AC-DC 转换的。由于滤波电容的充、放电作用，在其两端的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。滤波电容上电压的最小值远非为零，与其最大值(纹波峰值)相差并不多。根据桥式整流二极管的单向导电性，只有在AC 线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通，而当AC 输入电压瞬时值低于滤波电容上 的电压时，整流二极管因反向偏置而截止。也就是说，在AC 线路电压的每个半周期内，只是在其峰值附近，二极管才会导通(导通角约为70°)。虽然AC 输入电压仍大体保持正弦波波形，但AC 输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲，如图l 所示。这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份，引起线路功率因数严重下降。若AC 输入电流基波与输入电压之间的位移角是Φ1，根据傅里叶分析，功率因数PF 与电流总谐波失真(度)THD 之间存在下面关系： 而是由二极管、电阻、电容和电感等无源元件组成。无源PFC 电路有很多类型，其中比较简单的无源PFC 电路由三只二极管和两只电容组成，如图2所示。这种无源PFC 电路的工作原理是：当50Hz 的AC 线路电压按正弦规律由0向峰值V m 变化的1/4周期内(即在0 ？ 课程设计说明书 课程名称：电力电子课程设计 设计题目： Boost电路的建模与仿真{ 专业：电气工程及其自动化 班级： 学号： 姓名： 指导教师： 【 二○一五年一月 目录 引言课程设计任务书 (3) 第一章电路原理分析 (4) 第二章电路状态方程 (5) 当V处于通态时 (5) 当V处于断态时 (5) 第三章电路参数的选择 (6) 占空比 的选择 (6) 电感L的选择 (6) 电容C的选择 (7) 负载电阻R的选择 (7) 第四章电路控制策略的选择 (8) 电压闭环控制策略 (8) 直接改占空比控制输出电压 (8) 第五章 MATLAB编程 (9) 定义状态函数 (9) 主程序的编写 (9) 运行结果 (12) 第六章 Simulink仿真 (16) 电路模型的搭建 (16) 仿真结果 (16) 第七章结果分析 (18) 参考文献 (19) 引言课程设计任务书 题目 Boost电路建模、仿真 任务 建立Boost电路的方程，编写算法程序，进行仿真，对仿真结果进行分析，合理选取电路中的各元件参数。 要求 课程设计说明书采用A4纸打印，装订成本；内容包括建立方程、编写程序、仿真结果分析、生成曲线、电路参数分析、选定。 V1=20V±10% V2=40V I0=0 ~ 1A F=50kHZ 第一章 电路原理分析 Boost 电路，即升压斩波电路（Boost Chopper ），其电路图如图1－1所示。电路中V 为一个全控型器件，且假设电路中电感L 值很大，电容C 值也很大。当V 处于通态时，电源E （电压大小为1V ）向电感L 充电，电流L i 流过电感线圈L ，电流近似线性增加，电能以感性的形式储存在电感线圈L 中。此时二极管承受反压，处于截断状态。同时电容C 放电，C 上的电压向负载R 供电，R 上流过电流0I R 两端为输出电压0U （负载R 两端电压为2V ），极性为上正下负，且由于C 值很大，故负载两端电压基本保持为恒值。当V 处于断态时，由于线圈L 中的磁场将改变线圈L 两端的电压极性，以保持L i 不变，这样E 和L 串联，以高于0U 电压向电容C 充电、向负载R 供电。下图1－2为V 触发电流和输出负载电流的波形，图1－3为电感充放电电流的波形。 图2－1 课程设计任务书 学生姓名：专业班级： 指导教师：工作单位： 题目: 功率因数校正电路设计 初始条件： 输入交流电源：单相220V，频率50Hz。 要求完成的主要任务:（包括课程设计工作量及其技术要求，以及说明书撰写等具体要求） 1、基于CCM-BOOST方式实现功率因数校正。 2、输出直流电压：400V。 3、输出功率250W。 4、完成总电路设计和参数设计。 时间安排： 课程设计时间为两周，将其分为三个阶段。 第一阶段：复习有关知识，阅读课程设计指导书，搞懂原理，并准备收集设计资料，此阶段约占总时间的20%。 第二阶段：根据设计的技术指标要求选择方案，设计计算。 第三阶段：完成设计和文档整理，约占总时间的40%。 指导教师签名：年月日 系主任（或责任教师）签名：年月日 武汉理工大学《电力电子》课程设计说明书 目录 摘要 ························································································································································· 1 1. 功率因数 ······································································································································· 2 1.1 功率因数定义 ··························································································································· 2 1.2 电流谐波总畸变率 TH (2) 2 功率因数校正技术 ························································································································ 3 2.1 功率因数校正技术分类 ············································································································ 3 2.2 有源功率因数校正原理 (3) 2.2.1 单相功率因数校正........................................................................................................... 3 2.2.2 单级PFC 变换器 .. (4) 2.3 BOOST 型有源功率因数校正的一般方法 (5) 2.3.1 电流峰值控制法（Peak Current Model Control ） ........................................................... 5 2.3.2 滞环电流控制法（Hysteresis Current Control ）.............................................................. 7 2.3.3 平均电流控制法(Average Current Mode Contro1) .. (9) 3 基于CCM-BOOST 方式的功率因数校正电路设计 ······································································ 10 3.1 功率因数校正芯片UC3854 (10) 3.1.1 UC3854简要介绍 ........................................................................................................... 10 3.1.2 UC3854引脚功能 ........................................................................................................... 11 3.1.3 UC3854内部结构 .. (13) 3.2 功率因数校正电路设计 (15) 3.2.1 系统的主要性能指标 ..................................................................................................... 15 3.2.2 方案选择 ........................................................................................................................ 15 3.2.3 元器件参数设计 (16) 3.3 控制电路设计 (22) 3.3.1 UC3854主要参数设置 ··································································································· 22 3.3.2 外围主要参数设置········································································································· 23 3.3.3 设计完成的校正总体电路 (24) 结论及心得体会..................................................................................................................................... 25 参考文献 ................................................................................................................................................ 26 附录 . (27) 功率因数校正原理及相关IC 近年来，随着电子技术的发展，对各种办公自动化设备，家用电器，计算机的需求逐年增加。这些设备的内部，都需要一个将市电转换为直流的电源部分。在这个转换过程中，会产生大量的谐波电流，使电力系统遭受污染。作为限制标准，IEC发布了IEC1000?3?2；欧美日各国也颁布实施了各自的标准。为此谐波电流的抑制及功率因数校正是电源设计者的一个重要的课题。2高次谐波及功率因数校正一般开关电源的输入整流电路为图1所示：市电经整流后 近年来，随着电子技术的发展，对各种办公自动化设备，家用电器，计算机的需求逐年增加。这些设备的内部，都需要一个将市电转换为直流的电源部分。在这个转换过程中，会产生大量的谐波电流，使电力系统遭受污染。作为限制标准，IEC发布了IEC1000?3?2；欧美日各国也颁布实施了各自的标准。为此谐波电流的抑制及功率因数校正是电源设计者的一个重要的课题。 2高次谐波及功率因数校正 一般开关电源的输入整流电路为图1所示： 市电经整流后对电容充电，其输入电流波形为不连续的脉冲，如图2所示。这 种电流除了基波分量外，还含有大量的谐波，其有效值I 式中：I1，I2，…In，分别表示输入电流的基波分量与各次谐波分量。 谐波电流使电力系统的电压波形发生畸变,我们将各次谐波有效值与基波有效值 的比称之为总谐波畸变THD(TotalHarmonicDistortion) THD=(2) 用来衡量电网的污染程度。脉冲状电流使正弦电压波形发生畸变，见图3的波峰处。它对自身及同一系统的其它电子设备产生恶劣的影响，如： ——引起电子设备的误操作，如空调停止工作等； ——引起电话网噪音； ——引起照明设备的障碍，如荧光灯闪灭； ——造成变电站的电容，扼流圈的过热、烧损。 功率因数定义为PF=有效功率/视在功率,是指被有效利用的功率的百分比。没有被利用的无效功率则在电网与电源设备之间往返流动，不仅增加线路损耗，而且成为污染源。 设电容输入型电路的输入电压e为： 功率因数校正浅析 功率因数是衡量电器设备性能的一项重要指标。功率因数低的电器设备，不仅不利于电网传输功率的充分利用，而且往往这些电器设备的输入电流谐波含量较高，实践证明，较高的谐波会沿输电线路产生传导干扰和辐射干扰，影响其它用电设备的安全经济运行。如对发电机和变压器产生附加功率损耗，对继电器、自动保护装置、电子计算机及通讯设备产生干扰而造成误动作或计算误差。因此。防止和减小电流谐波对电网的污染，抑制电磁干扰，已成为全球性普遍关注的问题。国际电工委与之相关的电磁兼容法规对电器设备的各次谐波都做出了限制性的 要求，世界各国尤其是发达国家已开始实施这一标准。 随着减小谐波标准的广泛应用，更多的电源设计结合了功率因数校正(PFC)功能。设计人员面对着实现适当的PFC段，并同时满足其它高效能标准的要求及客户预期成本的艰巨任务。许多新型PFC拓扑和元件选择的涌现，有助设计人员优化其特定应用要求的设计 在电源的设计中，APFC一般是优先考虑的校正方法。作为设计人员，大致从以 下几个方面对APFC进行考虑： 拓扑选择的一般方法 由于输入端存在电感，升压转换器是提供高功率因数的方法。此电感使输入电流整形与线路电压同相。但是，可以采用不同的方案来控制电感电流的瞬时值，以获得功率因数校正。 a．临界导电模式(CRM)PFC——由于控制的设计较为简单，而且可与较低速升压二极管配合使用，所以在较低功率应用中通常采用此方法。 b．不连续导电模式(DCM)PFC——此创新的方案延承了CRM 的优点，并消除了若干限制。 c．连续导电模式(CCM)PFC——由于这种方案恒频且峰值电流较小，是较高功率(>250 W)应用的首选方案。但是，传统的控制解决方案较为复杂，牵涉到多个环路，以及以不精确著称的模拟乘法器，并需在控制集成电路周围放许多元件。 二、选择标准 1、功率水平 a．如果功率水平低于150 W，最好采用CRM或DCM方案。至于CRM 或DCM，取 决于你是想优化满载效率，采用CRM；而如欲减少EMI问题，选择DCM。 b．如功率水平高于250W，CCM是首选方案。此方案虽然可保持峰值电流和有效值电流，但必须解决二极管反向恢复问题。电力电子课程设计Boost电路的建模与仿真
功率因数校正电路设计
功率因数校正原理及相关IC.
功率因数校正浅析
相关主题
文本预览