基于APFC的单相PWM整流器的设计——毕业论文

武汉理工大学毕业设计（论文）基于APFC的单相PWM整流器的设计学院（系）： 自动化学院 专业班级： 电 气 学生姓名： XXXXXXXX 指导教师： XXXXXXX 摘要I第1章 绪论11.1概述11.2本课题研究的意义21.3整流技术的发展31.4本论文主要工作4第2章 PWM控制技术52.1 PWM简介52.2 PWM控制原理和应用52.2.1 PWM控制的基本原理52.2.2 PWM计算法和调制法7第3章 功率因素校正技术103.1发展历史103.2 Boost PFC电路与Buck电路的对偶性113.3 PFC技术分类及研究方向133.4 PFC技术分类143.5 基本的两种功率因素校正技术16第4章 有源功率因素校正（APFC）技术194.1 功率因数(PF)的定义194.2功率因数校正194.3 功率因数校正实现方法204.4 有源功率因数校正方法分类204.5功率因数校正技术的发展趋势25第5章 MATLAB仿真实验275.1电路的工作原理275.2 Matlab仿真295.2.1MATLAB仿真图29第6章 结论与展望325.1结论325.1.1基于滞环比较法控制系统的研究325.1.2基于功率因素校正技术的研究325.2展望32参考文献34致谢摘要分析单相电压型PWM整流电路(功率因素校正电路)的工作原理和工作模式, 功率因数校正（PFC）技术诞生与20世纪80年代，它采用的是高频开关工作方式，具有体积小，重量轻，效率高，输入功率因素（PF）接近的优点，采用 PWM进行控制,其中控制方法采用的是电流滞环比较法，因硬件电路简单，属于实时控制，电流响应快，对负载的适应性强，由于不需要载波，所以输出电压不含特定频率的谐波分量，另外，这种控制方式，有利于提高电压利用率选择适当的工作模式和工作时序,可使PWM整流电路的输出直流电压得到有效的稳定值。同时也调节了交流侧电流的大小和相位,实现能量在交流侧和直流侧的双向流动,并使变流装置获得良好的功率因数。最后建立其Matlab的仿真模型,验证了设计的正确性。关键词：PWM整流，功率因素校正，功率因数AbstractAnalysis of single-phase voltage source PWM rectifier circuit (power factor correction circuit) and working principle of work mode, power factor correction (PFC) technology was born in the 1980s, it adopts the high frequency switching is, has the advantages of small size, light weight, high efficiency, the input power factor (PF) close to 1, control, using PWM control method is comparative, hysteresis current hardware circuit is simple, belongs to the real-time control, fast response to load current, the adaptability, because do not need carrier, so the output voltage excluding specific frequency harmonics, in addition, the control mode, and is helpful to improve the efficiency of selecting the appropriate working mode and work timing, can make the PWM rectifier circuit output dc voltage stability of effectively. Also adjust the ac current of the amplitude and phase, realize the ac and dc power in the bidirectional lateral flow, and make good converter device of power factor. Finally the simulation model is established, and its Matlab verifies the correctness of design.Keywords: single-phase voltage type, PWM, Rectifier, Power factor correction, The power factor, Current hysteresis comparison, Matlab, Simulation.II第1章 绪论1.1概述 功率因数校正（PFC）技术诞生与20世纪80年代，它采用的是高频开关工作方式，具有体积小，重量轻，效率高，输入功率因素（PF）接近的优点，因而受到了人们的关注。但20世纪80年代的功率因素校正技术大部分是寄予Boost电路原理。所以说20世纪80年代是Boost功率因素校正年代。这个阶段的注意特点是：校正器采用的是“乘法器（Multiplier）原理进行控制，校正器工作在连续导电模式（CCM）可以获得较大的功率转换容量。但是控制比较复杂，不适合200以下小容量使用：20世纪80年代后期又针对小容量整流器提出了电压跟随器校正技术，校正器工作在不连续导电模式（DCM），使控制电路大大简化，很适合200以下小容量整流器使用，一般不能用在较大功率整流器中。大家熟知,在传统的变流电路中,晶闸管可控整流装置的功率因数会随着其触发角的增加而变坏,这不但使得电力电子类装置成为电网中的主要谐波因素,也增加了电网中无功功率的消耗。PWM整流电路是采用脉宽调制技术和全控型器件组成的整流电路,能有效地解决传统整流电路存在的问题。通过对PWM整流电路进行有效的控制,选择合适的工作模式和工作时序,从而调节了交流侧电流的大小和相位,使之接近正弦波并与电网电压同相或反相,不但有效地控制了电力电子装置的谐波问题,同时也使得变流装置获得良好的功率因数；同时PWM控制主要用于逆变电路，主要采用电流滞环法控制，这种控制电路主要是硬件电路简单，经济，而且对电压的利用率高，对网侧污染少，提高了功率因素。SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。PWM调制是现代发展起来的一项技术，早工程上主要有滞环比较法和三角波比较法，较之后者，滞环比较控制方式的硬件电路简单，属于实时控制，电流响应快，对负载的适应性强，由于不需要载波，所以输出电压不含特定频率的谐波分量，另外，这种控制方式，有利于提高电压利用率，但在响应快的同时，电流脉动也很大，而且滞环的宽度也难控制，若宽度过大，开关频率和开关损耗可降低，但跟踪误差增大，若宽度过小，开关频率和开关损耗增大，跟踪误差可减小，再者，如果宽度固定，电流跟随误差范围也是固定的，但是开关器件的频率是变化的，这就对电力器件的工作频率提出了更高的要求，今后电力电子技术将会得到进一步发展，高频电力电子器件会应运而生，对上面目前不足将得到很大的改善。PWM控制技术一直是变频技术的核心技术之一。1964年A.Schonung和H.stemmler首先提出把这项通讯技术应用到交流传动中，从此为交流传动的推广应用开辟了新的局面。从最初采用模拟电路完成三角调制波和参考正弦波比较，产生正弦脉宽调制SPWM信号以控制功率器件的开关开始，到目前采用全数字化方案，完成优化的实时在线的PWM信号输出，可以说直到目前为止，PWM在各种应用场合仍在主导地位，并一直是人们研究的热点。由于PWM可以同时实现变频变压反抑制谐波的特点。由此在交流传动及至其它能量变换系统中得到广泛应用。PWM控制技术大致可以为为三类，正弦PWM（包括电压，电流或磁通的正弦为目标的各种PWM方案，多重PWM也应归于此类），优化PWM及随机PWM。正弦PWM已为人们所熟知，而旨在改善输出电压、电流波形，降低电源系统谐波的多重PWM技术在大功率变频器中有其独特的优势（如ABB ACS1000系列和美国ROBICON公司的完美无谐波系列等）；而优化PWM所追求的则是实现电流谐波畸变率（THD）最小，电压利用率最高，效率最优，及转矩脉动最小以及其它特定优化目标。1.2本课题研究的意义作为20世纪后期新兴的边缘学科，电力电子技术是利用电力电子器件对电能进行变换及控制的一种现代技术，它使电网的工频电能最终转换成不同性质、不同用途的电能，以适应千变万化的用电装置的不同需要。业界认为，电力电子技术快速发展的物质基础源于电力电子器件的发展。从1947年第一只晶体管诞生之日起，半导体器件及相应的变流装置在世界范围内很快发展起来，从而产生了半导体固态电子学。这一技术发展到1956年，在晶体管的基础上又制成了晶闸管，从此开始步入电力电子技术的新时代。70年代后期，在SCR基础上研制成功的可关断晶闸管以及在晶体管基础上研制成功的电力晶体管及模块相继进入实用化，并在中、大容量的变流装置中，传统的晶体管逐渐被这些全控型电力电子器件所取代。电力电子技术取得快速发展正值80年代后期，随着以计算机为核心的微电子技术与电力电子技术的高电压、大电流技术的发展与结合，一方面诞生了多种具有自关断功能的器件，形成了一个新型的全控型电力电子器件家族；另一方面又涌现了一批多功能的控制模块。目前，电力电子技术已由半控型、全控型器件进入全新的智能型时代。其表现是，一方面原有各新型电力电子器件额定参数不断提高；另一方面在国家自然科学基金的资助和创新机制推动下，目前，我国电力电子技术的研究已从吸收消化和一般跟踪，发展到前沿跟踪和基础创新，推出了诸多科研成果。具有代表性的产品20MVA静止无功发生器工业试验样机，获国家科技进步二等奖；通过专家鉴定的磁悬浮概念车的研究取得阶段性成果；在交流励磁发电的研究方面也获得良好的进展。目前电力电子行业还开展了跟踪国际多方面前沿性课题的研究或基础创新研究，包括电力电子系统的积木式集成技术、具有独立电源的多电平拓扑电路、具有超导储能的并联型UPS、多电平软开关技术、铁道供电系统的电流谐波抑制和功率因数改善、逆变器无线均流技术、电能质量综合调节器、直流侧谐波抑制的PWM控制策略等。这些成果和研究对提高我国电力电子行业的学术水平、提升电源产品的技术含量、赶超世界先进水平和增强国际竞争能力具有非常重要的意义。目前，电力电子产品较好地满足了我国的市场需求，但新型电力电子半导体器件仍需依靠进口。专家评估认为，与发达国家相比，我国在应用基础研究深度方面的差距至少为510年；在电源产品的质量、可靠性、开发投入、生产规模、工艺水平、先进检测设备、工人素质、持续创新能力和公司体制等综合实力方面的差距约为1015年；特别是对电源产品和装置性能有极其重要影响的新型场控器件的芯片制造技术，目前还处于非常落后的状态。 展望21世纪电力电子产业或电源产业的发展趋势，其动向就是围绕提高效率、提高性能、消除电力公害、减少电磁干扰和电噪声进行不懈的研究。为此，我国电力电子行业未来几年开展研究的重点领域应是进一步提高电能变换效率，降低待机损耗；避免电力公害，尽量减少网侧电流谐波，并使网侧功率因数接近1；提高电源装置和系统的电磁兼容性；降低电噪声；通过实施高频化、元件小型化和先进工艺，实现产品的小型化和轻量化。1.3整流技术的发展 在半导体技术未出现时，整流是用电动机-发电机组合电子管离子管器件来完成的。随着半导体技术的出现和发展，半导体整流器在整流技术中占据统治地位。 整流技术的发展可分为四个阶段：（1）旋转式AC/DC变换，即电动机发电机组；（2）电子管、离子管整流器；（3）不可控整流器（主要指半导体二极管整流器）；（4）可控整流器（又有相位控制和PWM控制之分）。 由于旋转式AC/DC变换和电子管、离子管整流器的性价比很低，现在已基本不被采用。取而代之的是不可控整流器和可控整流器。不可控整流器是利用半导体二极管的单向导电性来完成整流功能的。它的特点是电路简单、可靠性高，但是由于半导体二极管的不可控性，使其应用受到限制。可控整流器是利用晶闸管（SCR）、功率场效应晶体管（VMOS）、绝缘栅晶体管（IGBT）等大功率开关器件的半可控性或可控性来完成整流功能的。SCR不具备自关断特性，它实际上是一个半可控器件。由VMOS、IGBT等构成的整流器称为PWM控制型整流器。PWM控制型整流器也称为PWM斩波型整流器。它是大功率开关器件和PWM控制技术在整流器领域的应用，是最具有发展前途的整流技术。1.4本论文主要工作(1)PWM的基本原理。(2)了解APFC技术，完成系统总体结构设计。(3)阅读国内外专家论文，翻译外文资料文献。(4)设计基于APFC的单相可控整流器，并进行matlab仿真，验证整流任务，看是否满足要求。第2章 PWM控制技术2.1 PWM简介PWM的全称是Pulse Width Modulation（脉冲宽度调制），它是通过改变输出方波的占空比来改变等效的输出电压。广泛地用于电动机调速和阀门控制，比如我们现在的电动车电机调速就是使用这种方式。 SPWM(Sinusoidal PWM)法是一种比较成熟的,目前使用较广泛的PWM法.前面提到的采样控制理论中的一个重要结论:冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时,其效果基本相同.SPWM法就是以该结论为理论基础,用脉冲宽度按正弦规律变化而和正弦波等效的PWM波形即SPWM波形控制逆变电路中开关器件的通断,使其输出的脉冲电压的面积与所希望输出的正弦波在相应区间内的面积相等,通过改变调制波的频率和幅值则可调节逆变电路输出电压的频率和幅值。2.2 PWM控制原理和应用2.2.1 PWM控制的基本原理图2.1 形状不同而冲量相同的各种窄脉冲 在采样控制理论中有一个重要结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。冲量即指窄脉冲的面积。这里所说的效果基本相同，是指环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅里叶变换分析，则其低频段非常接近，仅在高频段略有差异，例如图a、b、c所示的三个窄脉冲形状不同。其中如2.1a为矩形脉冲，图2.1b为三角形脉冲，图2.1c为正弦半波脉冲，但它们的面积都等于1,，那么，当它们分别加在具有惯性的同一个环节上时，其输出响应基本相同。当窄脉冲变为图2.1d的单位脉冲函数 d (t)时，环节的响应即为该环节的脉冲过渡函数。图2.2a的电路是一个具体的例子。图中e(t)为电压窄脉冲，其形状和面积分别如图2.1a、b、c、d所示，为电路的输入。该输入加在可以看出惯性环节的R-L电路上，设其电路i(t)为电路的输出，图2.2b给出了不同的窄脉冲时i(t)的波形。从波形可以看出，在i(t)的上升段，脉冲形状不同时i(t)的形状也略有不同，但其下降段则几乎相同。脉冲越窄，个i(t)波形的差异也越小。如果周期性地加上述脉冲，则响应i(t)也是周期性的用傅里叶级数分解后将可看出。图2.2 冲量相同的各种窄脉冲的响应波形各i(t)在低频段的特性将非常接近，仅在高频段有所不同。上述原理可以称之为面积等效原理，它是PWM控制技术的重要理论基础。下面分析如何用一系列等副不等宽的脉冲来代替一个正弦波。把图2.3的正弦波分成N等份，就可以把正弦半波看成是有N个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于/N,且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列利用相同数量的等副而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲相应的正弦波部分面积相等，就得到图b所示的脉冲序列。这就是PWM波形。可以看出，个脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦波规律变换的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。像这种脉冲的宽度按正弦波规律变化和正弦波等效的PWM波形，也称为SPWM波形。图2.3 PWM波代替正弦波要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按照同一比例系数改变上述各脉冲的宽度即可。PWM波形可分为等幅PWM波河不等幅PWM波两种。由直流电源产生的PWM波通常是等幅PWM波。如直流斩波电路。其PWM波都是又直流源产生的，由于直流源电源幅值基本恒定，因此PWM波是等幅的。不管什么PWM波，都是基于面积等效原理来进行控制的，因此其本质是形同的。2.2.2 PWM计算法和调制法 (1)计算法根据正弦波频率、幅值和半周期脉冲数，准确计算PWM波各脉冲宽度和间隔，据此控制逆变电路开关器件的通断，就可得到所需PWM波形繁琐，当输出正弦波的频率、幅值或相位变化时，结果都要变化。(2)调制法输出波形作调制信号，进行调制得到期望的PWM波通常采用等腰三角波或锯齿波作为载波，腰三角波应用最多，其任一点水平宽度和高度成线性关系且左右对称与任一平缓变化的调制信号波相交，在交点控制器件通断，就得宽度正比于信号波幅值的脉冲，符合PWM的要求，调制信号波为正弦波时，得到的就是SPWM波。调制信号不是正弦波，而是其他所需波形时，也能得到等效的PWM波。异步调制和同步调制载波比载波频率fc与调制信号频率fr之比，N= fc / fr.根据载波和信号波是否同步及载波比的变化情况，PWM调制方式分为异步调制和同步调制a. 异步调制异步调制载波信号和调制信号不同步的调制方式通常保持fc固定不变，当fr变化时，载波比N是变化的，在信号波的半周期内，PWM波的脉冲个数不固定，相位也不固定，正负半周期的脉冲不对称，半周期内前后1/4周期的脉冲也不对称，当fr较低时，N较大，一周期内脉冲数较多，脉冲不对称产生的不利影响都较小，当fr增高时，N减小，一周期内的脉冲数减少，PWM脉冲不对称的影响就变大b. 同步调制同步调制N等于常数，并在变频时使载波和信号波保持同步基本同步调制方式，fr变化时N不变，信号波一周期内输出脉冲数固定，下面分析，三相电路中公用一个三角波载波，图2.4为同步调整三相PWM波形，且取N为3的整数倍，使三相输出对称为使一相的PWM波正负半周镜对称，N应取奇数fr很低时，fc也很低，由调制带来的谐波不易滤除，r很高时，fc会过高，使开关器件难以承受。c.分段同步调制把fr范围划分成若干个频段，每个频段内保持N恒定，不同频段N不同，在fr高的频段采用较低的N，使载波频率不致过高在fr低的频段采用较高的N，使载波频率不致过低为防止fc在切换点附近来回跳动，采用滞后切换的方法同步调制比异步调制复杂，但用微机控制时容易实现可在低频输出时采用异步调制方式，频输出时切换到同步调制方式，这样把两者的优点结合起来，和分段同步方式效果接近。图2.4 PWM调制波形第3章 功率因素校正技术3.1发展历史采用乘法器的PFC电路，其中特别是Boost PFC电路，是20世纪80年代出现的应用广泛的PFC电路。它的显著特点是电路工作在连续导电模式（CCM）,功率因素校正电路可以获得较大的功率转换容量，适合于200W以上逆变器应用，是一种技术比较成熟的PFC电路。要提高整流器的输入功率因素有两个途径：一是输入电流正弦花，二是使输入电流与输入电压同相位。直流滤波电容的值越大RLCd的值就越大，功率因素就越低。所以，为了提高整流器的输入功率因素，和电压跟随器PFC电路相同，必须用有源校正电路吧整流器与直流滤波电容隔开，这就要求有源校正电路必须是DC/DC变换器，为了保证输入电流正弦化并跟踪输入电压，使它们的波形相同，相位差等于零，有源校正电路又必须是可控的；为了更有效地使输入电流正弦化，是输出功率差与输入功率在每一瞬间都相等，有源校正电路又必须工作在高频开关状态。满足上述这些要求的有源校正电路，通过设计，几乎所有类型的DC/DC开关变流器都可以实现功率因素校正。例如Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zeta变换器等。这就是说：所谓的有源功率因素校正电路实际上就是就是接在整流器与直流滤波电容之间的，采用PWM控制的Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk,Sepic、Zeta等DC/DC变流器。对于乘法器控制的有源校正电路，由于要对输入电流的波形和相位进行控制，故控制电路必须加入市电网侧输入电流反馈的内环：为了都输出电压进行控制，有必须加入直流输出电压反馈的外环。为了使输入电流在波形和相位上很好地跟踪输入电压，控制电路又必须工作在高频PWM状态，这样就可以得到乘法器控制的PFC电路的原理图，如图3.1所示，用这样构成的有源功率因素校正整流器其网侧输入功率因素可以提高到接近于1，总的输入电流波形畸变因素接近于1，谐波含量3%。直流输出电压也可以维持在一定的范围内。开关频率越高，效果越明显，当开关频率Fs249HZ时，即可以使输入功率因素PF0.95。功率因数校正（PFC）技术诞生与20世纪80年代，它采用的是高频开关工作方式，具有体积小，重量轻，效率高，输入功率因素接近的有点，因而受到了人们的关注。但20世纪80年代的功率因素校正技术大部分是寄予Boost电路原理。所以说20世纪80年代是Boost功率因素校正年代。这个阶段的注意特点是：校正器采用的是“乘法器（Multiplier）原理进行控制，校正器工作在连续导电模式（CCM）可以获得较大的功率转换容量。但是控制比较复杂，不适合200以下小容量使用：20世纪80年代后期又针对小容量整流器提出了电压跟随器校正技术，校正器工作在不连续导电模式（DCM），使控制电路大大简化，很适合200以下小容量整流器使用，一般不能用在较大功率整流器中。20世纪90年代是功率因素校正技术大发展的阶段，在这一阶段，功率因素校正技术的理论日趋完善，校正技术与软开关技术相结合，进一步提高了功率因素校正技术电路的性能。图3.1乘法器控制的PFC原理框图3.2 Boost PFC电路与Buck电路的对偶性整流器的负载是逆变器，逆变器有电压型和电流型两种。考虑到这种需要和有源校正DC/DC变换器的输入特点，有源校正电路从输入结构形式来分，又可以分为电感输入型和电容输入型两种。所谓电感输入型，就是用电感L作为输入的电路，这类电路的典型代表是Boost有源功率因素校正电路，它主要用于电压型逆变器。这种电路的特点是电路连续，缺点是只能升压不能降压、启动及过载冲击大、保护困难、空载性能差，所谓电容输入型，就是用电容C作为输入的电路，这类电路的典型代表是Buck有源功率因素校正dialup，它主要用于电流型逆变器。这种电路的优点是可靠性高、抗短路能力强，缺点是电路复杂、电流不连续、只能降压不能升压。电感输入型与电容输入型PFC电路的组成如图3.2所示，其中图a为电感输入型，图b为电容输入型，这两种电路是对偶的。表一给出了电感输入型和电容输入型PFC电路的对偶性对照表， 表一电感输入型与电容输入型PFC电路的对偶性对照 电路项目电感输入型电容输入型电路BoostBuck电源UI储能LC直流滤波CdLd输出UdoId开关工作方式开关管开通开关管关断开关管关断开关管开通PWM控制方式CCM(电流滞环)DCM(电感电流断续)CCM(电压滞环)DCM(电容电压断续)实际上，对于Buck有源校正电路的大量工作研究工作都是以电压源输入为目的，这是因为逝市电电网本身是一个电压源，同时电压型逆变器应用也有比较多的原因。在作为电压源输出时，对于单相高功率因素应用是有局限的，无论采用连续或断续控制，在交流输入电压低于输出电压时，输入电流是不存在的，这样，输入功率因素因电流而难以提高，对于图8所示的原理框图中，六种DC/DC变换器电路都可以互相采用，但是应用较多的是Boost PFC电路，这是因为它的网侧输入电流总是连续的，而且由于储能电感常常接在输入端，所以控制电感电流按正弦变化就可以提高整流器的功率因素。这种控制电感电流的方式就是通常所说的“电路模式控制方式。目前电流模式控制方式有两种，即“峰值电流”模式控制和“平均电流”模式控制。仔细研究发现，峰值电流模式对功率因素校正整流器的动态性能有不利的影响，二平均电流模式则能成功地解决上述问题。这种控制思想对Buck和Buck-Boost电路也是适合的。 a） b） 图3.2 电感输入型与电容输入型PFC电路a） 电感输入型 b）电容输入型3.3 PFC技术分类及研究方向功率因素校正技术有很多分类法，从市电电网输入方式可以分为单项PFC电路和三相PFC电路。就功率因素校正器本身的结构而言，功率因素校正器有可以分为两级式和单级式两种，如图3所示，其中图阿是两级式，即PFC级和DC/DC级。它们各自都有自己的开关器件和控制电路。PFC级主要作用是使线电流跟踪线电压，使线电流正弦化，减少谐波对电网的污染，提高输入功率因素。DC/DC级主要用来实现输出电压的快速调节。图b是单级式，即使PFC和DC/DC级合并，共用一个开关管和一套控制电路，同时实现对输入电流的正弦化和对输出电压的调节。由于控制电路主要是用来调节输出电压，因此输入电流正弦化的程度就差，但电路要比两级式简单很多。根据PFC即与DC/DC级电流的工作模态，两级PFC又分为四种，即CCM.PFC+DCM.DC/DC CCM.PFC+CCM.DC/DCDCM.PFC-+CCM.DC/DC DCM.PFC+DCM.DC/DC3.4 PFC技术分类根据控制方式，两级PFC又可以分为PWM控制和变频控制。单级PFC主要分为Boost和Buck-Boost，Boost又分为两端模式和三端模式。Boost PFC的优点是输入电流应力小、效率高；而Buck-Boost PFC输入电流应力较大，但储能电容电压较低，功率因素也高一些，图3.3为两级和单级变换器。从开关型式来分，PFC电路又可分为硬开关电路和软开关电路（ZCS或ZVS）两种类型，不管是单相PFC或是三相PFC电路，研究表明。所有的DC/DC开关变换器如Buck、Boost、Cuk Buck-Boost、Sepic、Zeta等，都可以用于功率因素校正。这些变换器工作于不同导电模式时，其功率因素校正的机理也不相同。工作于连续导电模式时(CCM),应用乘法器（Multiplier）式控制电路；工作于不连续导电模式时（DCM）,应用电压跟随器（Voltage Follwoer）式控制电路。a）b）图3.3 两级式和单级式PFC变换器方框图a) 两级式 b）单级式对于单级PFC，在DCM导电模式下采用电压跟踪方进行PFC时，可以直接采用常规的PWM 来调节输出电压，同时又可以使输入PF=1;而工作在CCM导电模式的乘法器PFC在电压跟随器PFC电路中，变换器工作在DCM模式中，因此由二极管反向恢复电流引起的开光关断损耗也较低。但是从校正器变换的功率容量来说，前者只适合与200W以下的容量，而工作在CCM模式的乘法器方式的PFC却可以应用于200W以上的容量。近几年来，又出现了一些新的功率因数校正技术得到了人们的认可，如三电平PFC技术，磁放大器PFC和不连续电容电压模式PFC技术等。应用现代高速开关器件及高频功率电子电路构成的功率因数校正电路已经成为PFC电路的主流。随着电力电子技术的发展，PFC技术也在不断的发展。从资料上看，近几年功率因数校正技术的研究热点集中在以下几个方面：l 新电路结构的提出；l 把DC/DC变换器中的新技术应用到PFC电路中（如软开关技术、开关电容功率网络等）；l 新型控制方法以及基于新电路结构的特殊控制方式；l 单级PFC以及稳压开关变换器的稳定性研究。现有的功率因素校正技术给整流电路设备带来的附加成本和气复杂性，极大地限制着这一技术的广泛应用，因此降低成本、结构简单、容易实现具有软开关性能响应速度快、低输出纹波的单级隔离高功率因素是目前研究人员追求的目标，可以相信，随着电力电子技术的发展，功率因素校正技术会越来越完善，应用也会越来越广泛。3.5 基本的两种功率因素校正技术在20实际80年代中期，功率因素校正器的研究以乘法器方式为主，其基本原理如图3.4所示。图中Boost变换器工作在连续导电模式（CCM）,其电感电流就是输入电流。电感电流被采样并被控制，使其幅值与输入电压相位相同的正弦波参考信号成正比，从而达到功率因素趋近1的校正目的；乘法器方式PFC电路还可以根据输出电压反馈信号，利用一个乘法器电路来控制正弦参考电流信号，从而得到可以调整的输入电压。有关乘法器型PFC技术的控制方式可以分为三种：即恒频控制（Constant-frequency Control）恒误差带控制（Constant-tolerance-band Control）和变差带控制（Variable-tolerance-band Control）。基于Boost变换器、连续导电模式下的乘法器功率因素校正电路可以获得很大的转换容量，在工业上已得到广泛应用。其控制电路已有单片集成电路实现，如MC34262,对这一类功率因素校正电路的研究方向是研究新的主电路结构和研究各种新的控制技术，如滑膜(Sliding Mode)控制和单周期（One Cycle）控制等。这种PFC技术的特点是：连续导电模式（CCM）、采用乘法器控制、需要引入多个反馈方式控制电路复杂、转换容量大,可用于200W以上的PFC电路。图3.4 典型的乘法器方式PFC电路电压跟随器功率因素校正技术，为了研究适合200W以下小功率容量的PFC电路，20世纪80年代末，由Doc、S.D.Freeland首先提出了利用不连续导电模式（DCM）进行功率因素校正的概念，出现了功率因素电压跟随器PFC技术。“电压跟随器|”这个词是首先由K.H.Liu应用到功率因素校正技术中的。 基本的电压跟随器Boost PFC 电路如图3.5所以：图3.5 电压跟随器Boost PFC 电路 此电路工作在不连续导电模式（DCM），开关S 由输出电压误差信号控制，开关周期为常数。由于电感电流峰值基本上成正比于输入电压，因此，输入电路波形将自然地跟随输入电压波形。实际上，对于不同的变换器结构，输入电流波形将会出现不同的程度的畸变，但这对输入功率因素的影响不大。与乘法器型PFC电路相比，电压跟随器PFC型电路可以直接采用常规的PWM 调节老控制输出电压和同事获得接近于1的输入功率因素，因此控制电路简单，仅需要一个输出电压开关控制开关，现有的多数开关电源PWM控制集成电路都可以用来作为电压跟随器输出二极管反向恢复电流而带来的问题。这种PFCdialup的特点是：变换器工作在不连续导电模式、采用电压跟随器控制，可以直接采用常规的PWM 调制，同事提高输入功率因素和调节输出电压，控制电路简单，成本低。电压跟随器有以下的缺点：l 只适合200W以下功率容量；l 输入电流波形为脉动三角波，因此其前端需加一个小滤波电容以消除高频纹波；l 具有较高的开关峰值电流，这会带来较大的开关关断损耗。第4章 有源功率因素校正（APFC）技术4.1 功率因数(PF)的定义功率因数(PF)是指交流输入有功功率(P)与输入视在功率(S)的比值。即 （1）式(1)中：为输入基波电流有效值； (2) 为输入电流失真系数； 为输入电流有效值；cos为基波电压与基波电流之间的相移因数。可见PF由和cos决定。cos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。值低，则表示输入电流谐波分量大，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。由于常规整流装置使用晶闸管或二极管，整流器件的导通角远小于180，从而产生大量谐波电流成分，而谐波电流不做功，只有基波电流做功，功率因数很低。4.2功率因数校正 交流输入电源经整流和滤波后，非线性负载使得输入电流波形畸变，输入电流呈脉冲波形，含有大量的谐波分量，使得功率因数很低。由此带来的问题是：谐波电流污染电网，干扰其他用电设备；在输入功率一定的条件下，输入电流较大，必须增大输入断路器和电源线的量；三相四线制供电时中线中的电流较大，由于中线中无过流防护装置，有可能过热甚至着火。为此，没有功率因数校正电路的开关电源被逐渐限制应用。因此，开关电源必须减小谐波分量，提高功率因数。提高功率因数对于降低能源消耗，减小电源设备的体积和重量，缩小导线截面积，减弱电源设备对外辐射和传导干扰都具有重大意义。所以，设有功率因数校正电路使功率因数近于1的开关电源得到迅速的发展。 功率因数校正，就是将畸变电流校正为正弦电流，并使之与电压同相位，从而使功率因数接近于1。4.3 功率因数校正实现方法由式(1)可知，要提高功率因数有两个途径，即使输入电压、输入电流同相位；使输入电流正弦化。利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形，使输入电流波形呈纯正弦波，并且和输入电压同相位，此时整流器的负载可等效为纯电阻。功率因数校正电路分为有源和无源两类。无源校正电路通常由大容量的电感、电容组成。虽然无源功率因数校正电路得到的功率因数不如有源功率因数校正电路高，但仍然可以使功率因数提高到o708，因而在中小功率电源中被广泛采用。有源功率因数校正电路自上世纪90年代以来得到了迅速推广。它是在桥式整流器与输出电容滤波器之间加入一个功率变换电路，使功率因数接近1。有源功率因数校正电路工作于高频开关状态，体积小、重量轻，比无源功率因数校正电路效率高。本文主要讨论有源功率因数校正方法。4.4 有源功率因数校正方法分类(1)按有源功率因数校正拓扑分类a.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。b.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。c.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。典型电路如图4.1所示。图4.1 反激式变换器d.升压式(Boost)简单电流型控制，户F值高，总谐波失真(THD)小，效率高，但是输出电压高于输入电压。典型电路如图4.2所示。适用于752000W功率范围的应用场合，应用最为广泛。它具有以下优点：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。图4.2 升压式变换器(2)按输入电流的控制原理分类a.平均电流型工作频率固定，输入电流连续(CCM)，波形图如图4.3(a)所示。TI公司的UC3854就工作在平均电流控制方式。图4.3 电流波形这种控制力式的优点是：恒频控制；工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、EMI滤波器体积小；能抑制开关噪声；输入电流波形失真小。主要缺点是：控制电路复杂，须用乘法器和除法器，需检测电感电流，需电流控制环路。 b.滞后电流型工作频率可变，电流达到滞后带内发生功率开关通与断操作，使输入电流上升、下降。电流波形平均值取决于电感输入电流，波形图如图4.3(b)所示。c.峰值电流型工作频率变化，电流不连续(DCM)，波形图如图4.3(c)所示。 DCM采用跟随器方法具有电路简单、易于实现的优点，似存在以下缺点：PF和输入电压Vin与输出电压V0的比值有关，即当Vin变化吋，PF值也将发生变化，同时输入电流波形随Vin/Vo的值的加大而使THD变大；开关管的峰值电流大(在相同容量情况下，DCM中通过开关器件的峰值电流为CCM的2倍)，从而导致开关管损耗增加。所以在大功率APFC电路中，常采用CCM方式。d.电压控制型工作频率固定，电流不连续，采用固定占空比的方法，电流自动跟随电压。这种控制方法一般用在输出功率比较小的场合，另外在单级功率因数校正中多采用这种方法，后面会介绍。波形图如图4.3(d)所示。(3)其他控制方法a.非线性载波控制技术非线性载波控制(NLC)不需要采样电压，内部电路作为乘法器，即载波发生器为电流控制环产生时变参考信号。这种控制方法工作在CCM模式，可用于Flyback,Cuk,Boost等拓扑中，其调制方式有脉冲前沿调制和脉冲后沿调制。b.单周期控制技术单周期控制原理图如图4.4所示，是一种非线性控制技术。该控制方法的突出特点是，无论是稳态还是暂态，它都能保持受控量 (通常为斩波波形)的平均值恰好等于或正比于给定值，即能在一个开关周期内，有效地抑制电源侧的扰动，既没有稳态误差，也没有暂态误差，这种控制技术可广泛应用于非线性系统的场合，不必考虑电流模式控制中的人为补偿。c.电荷泵控制技术利用电流互感器检测开关管的开通电流，并给检测电容充电，当充电电压达到控制电压时关闭开关管，并同时放掉检测电容上的电压，直到下一个时钟脉冲到来使开关管再次开通，控制电压与电网输入电压同相位，并按正弦规律变化。由于控制信号实际为开关电流在一个周期内的总电荷，因此称为电荷控制方式。Tu图4.4 单周期控制技术4.5功率因数校正技术的发展趋势目前研究的两级功率因数校正，一般都是指Boost PFC前置级和后随DCDC功率变换级。如图4.5所示。对Boost PFC前置级研究的热点有两个，一是功率电路进一步完善，二是控制简单化。如果工作在PWM硬开关状态下，MOSFET的开通损耗和二极管的反向恢复损耗都会相当大，因此，最大的问题是如何消除这两个损耗，相应就有许多关于软开关Boost变换器理论的研究，现在具有代表性的有两种技术，一是有源软开关，二是无源软开关即无源无损吸收网络。图 4.5单级电路有源软开关采用附加的一些辅助开关管和一些无源的电感电容以及二极管，通过控制主开关管和辅助开关管导通时序来实现ZVS或者ZCS。比较成熟的有ZVTBoost，ZVSBoost，ZCSBoost电路等。虽然有源软开关能有效地解决主开关管的软开关问题，但辅助开关管往往仍然是硬开关，仍然会产生很大损耗，再加上复杂的时序控制，使变换器的成本增加，可靠性降低。无源无损吸收则是采用无源元件来减小MOSFET的dvdt和二极管的dvdt，从而减小开通损耗和反向恢复损耗。它的成本低廉，不需要复杂的控制，可靠性较高。除了软开关的研究之外，另一个人们关心的研究方向是控制技术。曰前最为常用的控制方法是平均电流控制，CCMDCM临界控制和滞后控制3种方法。但是新的控制方法不断出现，其中大部分是非线性控制方法，比如非线性载波技术和单周期控制技术。这些控制技术的主要优点是使电路的复杂程度大大降低，可靠性增强。现在商业化的非线性控制芯片有英飞凌公司的一种新的CCM的PFC控制器，被命名为ICElPCSOI，是基于