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本科毕业设计（论文）PWM控制的PFC电路的研究张龙燕 山 大 学2010年 6月 本科毕业设计（论文）PWM控制的PFC电路的研究学院（系）：里仁学院 专 业：应用电子 学生 姓名：张龙 学 号：061203031222 指导 教师：闫朝阳 答辩 日期：2010年6月21日 燕山大学毕业设计（论文）任务书学院： 系级教学单位： 学号061203031222学生姓名张龙专 业班 级应电06-4题目题目名称PWM控制的PFC电路的研究题目性质1.理工类：工程设计 （）；工程技术实验研究型（ ）；理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ）2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ）题目类型1.毕业设计（ ） 2.论文（ ）题目来源科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（ ） 主要内容1、 学习掌握PFC的工作原理2、 设计PWM控制PFC电源3、 认真进行仿真实验工作4、 研究撰写毕业论文，绘制相关工程图纸基本要求1. 每周定期汇报工作进展2. 定期进行学术探讨和交流3. 认真查阅资料和参考书籍4. 按照毕业论文规范认真撰写毕业论文参考资料中文学术全文期刊网电力电子技术单级功率因数供电电路周 次第1 4周第5 8周第9 12周第1315周第1617周应完成的内容查阅资料，阅读文献确定方案，设计电路系统参数设计进行仿真，验证可行性撰写论文，准备答辩指导教师：闫朝阳职称：讲师 2010 年1月 1日系级教学单位审批： 年 月 日 燕山大学本科生毕业设计（论文）摘要本文阐述了功率因数校正（PFC）的目的和意义，介绍了常用有源功率因数校正电路拓扑结构、控制技术及其优缺点，对新型单周期控制技术进行了研究，并把单周期控制技术应用于单相Boost电路中。单周期控制技术是一种大信号、非线性PWM控制技术，其基本控制思想是保证在每一个开关周期中开关变量与控制参考量相等或成比例。它具有结构简单、控制精度高、响应速度快，控制性能不受电源参数变化影响等优点。论文中详细介绍了单周期控制技术的控制规律和算法，并对单周期控制技术的可行性进行了分析和讨论。针对传统Boost功率因数校正电路存在的问题，提出了基于单周期控制技术的单相Boost PFC电路设计方案，并给出了相应的仿真结果。理论分析和仿真结果都验证了基于单周期控制的Boost PFC电路，能够实现功率因数校正和低电流畸变，控制方法简单可行。 关键词单周期控制；功率因数校正(PFC)；Boost变换器；仿真Abstract The article elaborates the goal and significance of the Power Factor Correction (PFC), introduces commonly active Power Factor Correction circuit topology, the control technology and its merits and shortcomings, researches the new one-cycle control technology, and applies the one-cycle control technology in the single-phase Boost circuit.One-cycle control is a large signal nonlinear PWM technology, whose basic concept is to force the average of the controlled switch-variation to be equal or proportional to the control reference in each switch cycle. One-cycle control technology has the merits such as simple circuit structure, high control precision, fast dynamic response and control performance which is not affected by the variation of power parameters. In detail the paper introduces the control rule and the arithmetic of One-cycle control technology, analyzes and discusses the feasibility of One-cycle control technology. With the problems of traditional Boost Power Factor Correction Circuit, the article improved it and designed single-phase Boost PFC circuit based on one-cycle control, and gave simulation results.Theoretical analysis and simulation results prove the Boost PFC circuit with one-cycle control could achieve to low current distortion and to realize power factor correction. The control method is simple and feasible.Keywords one-cycle control；power factor correction (PFC); Boost Converter; simulationIII 目 录摘要IIAbstractIII第1章 绪论11.1 课题背景11.1.1功率因数校正的研究意义11.1.2国内外发展动态21.2功率因数校正的目的与意义41.2.1功率因数的定义及概念41.2.2谐波的危害51.2.3改善功率因数的措施61.3本课题研究目的及意义81.4本章小结9第2章 功率因数校正102.1功率因数校正电路的分类102.1.1分类概述102.1.2有源PFC的分类方式112.2功率因数校正电路拓扑结构122.2.1单相PFC主电路拓扑结构122.3有源PFC的控制方法132.3.1电流不连续传导模式132.3.2电流临界传导模式142.3.3 电流连续传导142.3.4单极双极PFC182.3.5 PWM整流器的调制方式202.3.6其它新型控制方式202.4本章小结21第3章 单周期控制技术223.1 单周期控制技术基本原理223.1.1基本buck电路223.1.2电压反馈控制223.1.3电流反馈控制233.1.4单周期控制253.2单周期控制PFC的理论分析283.3单周期控制方式的PFC电路分类303.4 单周期控制的推导313.4.1下降沿调制313.4.2上升沿调制313.4.3单周期控制电路的实现323.5本章小结34第4章 参数设计354.1主电路参数设计354.1.1输出电容参数选择354.1.2升压电感参数设计354.2控制电路参数设计364.3开关器件的选择374.3.1二极管的选择374.3.2主开关（MOSFET）374.3 仿真结果384.3.2不控整流的畸变波形384.3.3仿真结果394.4 IR1150芯片介绍41结论43参考文献44致谢46附录147附录251附录355附录469V第1章 绪论 第1章 绪论1.1 课题背景1.1.1功率因数校正的研究意义自1978年来，电能在我国国民经济生活中的应用呈现快速上升的发展趋势，随之我国的电能变换技术也取得了长足的进步，电能变换技术已经广泛而深入的应用于电力，煤炭，通信，家电，冶金，纺织及酿酒等各个领域。随着功率电子学的发展，人们对电源系统的要求也越来越高，除了高功率、大容量、小体积易携带等要求外，更多的，人们对电源系统的输入功率因数和高次谐波电流成分也提出了更高的要求，尤其在我国倡导的建立环境友好型，资源节约型的今天，电力是否能安全使用，能源是否能充分利用就变得至关重要。由于电力电子器件的飞速发展并在电网中大量应用，电力系统中会出现大量的非线性负荷，这些负荷在正弦波电压作用下，也会产生各种非正弦波的电流，这种电流在网络中流动，将使电力系统的电压波形畸变，给系统本身和周围的电磁环境带来一系列的危害，对电力系统产生污染、对通信系统产生干扰，还可引起仪器仪表和保护装置的误测量、误动作，这就是通常所说的“谐波污染。为了抑制高次谐波产生的谐波污染危害，国际上在1992年立法限制高次谐波，1993年，我国国家技术监督局颁布了国家标准GBT14549.93电能质量公用电网谐波。国际电工委员会在1998年对谐波标准IEC5552进行了修订，还制定了IEC61000.3.2标准1随着这些电力电子装置的进一步广泛深入应用，特别是电力变换器的高频化和大功率化带来了谐波污染、无功功率损耗等问题。为了达到节约能源、降低成本、减少污染的目的，越来越多的电器设备对电能的品质提出了新的要求。世界各国学者对电力电子技术进行了广泛的研究，取得了大量的科研成果。正如上文所说的谐波对整个国家电力系统有着很大的破坏，电力系统谐波的主要来源之一是电网中的电力电子设备，在这些设备中，各种整流装置所占的比例最大。而目前常用的整流装置几乎都采用二极管不控整流电路或晶闸管相控整流电路，二极管桥式整流器，虽然具有成本低，结构简单的优点，但是这种整流器的广泛使用也带来了以下几个方面的问题：1)二极管整流会使网侧电流波形严重畸变，造成功率因数较低，往往只有0.60.7。大量无功功率的消耗会给电网带来额外的负担,不仅增加了输电线路的损耗，而且严重地影响了供电质量。2)由二极管整流器输入电流的频谱分析可知输入电流中含有大量低次谐波，它们对电网注入大量谐波及无功功率，造成严重的电网“污染”。3)对于交流变频调速系统，由于二极管只能单向导电，电机制动的再生能量无法回馈给电网。为了装置的安全运行，这部分能量必须通过一定的途径消耗掉。在中小容量系统中，一般采用能耗制动方式，即通过内置或外加制动电阻的方法将电能消耗在大功率电阻器中，实现电机的四象限运行。该方法虽然简单，但有如下缺点：浪费能量，系统效率低；电阻发热严重，影响系统的其他部分正常工作；简单的能耗制动不能及时抑制快速制动产生的泵升电压，限制了性能的提高。随着这类非线性负载容量的增大和应用的不断扩大，电力电子装置的谐波污染问题成为了电气工程领域关注的焦点问题之一。不少国家和国际学术组织制定了电力系统和用电设备谐波的标准和规定，有国际电工委员会(IEC)标准IEC555-2(1982)、IEC1000-3-2(1994)和美国IEEE标IEEE519(1992)等，我国也颁布了GB/T14549(1993)电能质量公用电网谐波GB17625.1(2003)标准。另外，对基于航空交流电网的用电设备，美国航空无线电技术委员会提出了民用飞机的标准RTCADO-160D(1997)2。1.1.2国内外发展动态回顾PFC技术的发展历程，人们最早采用电感和电容构成的无源网络进行功率因数校正。该方法实现简单、成本低、可靠性高、EMI小。但存在许多缺点，比如输入电流波形差，尺寸、重量大，难以得到高的功率因数，工作性能与频率、负载及输入电压的变化有关。进入80年代以后，随着功率半导体器件的发展，开关变换技术突飞猛进。到80年代，现代有源PFC技术应运而生，由于变换器工作在高频开关状态，这种有源功率因数校正技术具有体积小、重量轻、高效率、功率因数可接近1等优点。80年代末提出了利用工作在不连续导电模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)下的变换器进行功率因数校正的技术，由于其输入电流能自动跟随输入电压，因而可以实现接近1的输入功率因数。这种有源功率因数校正技术因其简单而受到青睐，但一般不用于较大的功率变换器中。90年代以来，有源PFC取得了长足的发展。自1992年起，PESC设立了单相PFC专题，这被看作是单相有源PFC技术发展的里程碑。到1994-1995年， PESC上有关功率因数报道的主要内容是把软开关技术和通常的PFC技术结合以提高功率因数校正电路的性能。近年来，主要是连续导电模式下(Continuous Conduction Mode, CCM)功率因数校正的控制方法，同时，也提出了一些新颖的功率因数校正原理和拓扑结构。目前，国内外学者提出不同的功率因数校正技术适合于各种功率的电源，该技术相对以往的各种功率因数校正技术，具有成本低、电路简单、功率因数高等优点，同时能很好地满足国际谐波的标准。经过验证被广泛采用PWM整流技术可获得单位功率因数和正弦化输入电流。几千瓦到几百千瓦的高功率因数整流器主要采用PWM整流技术。PWM整流器可以实现交流侧电流正弦化，且运行于单位功率因数或者功率因数可调，谐波含量很小，被称之为“绿色电能变换器”。由于PWM整流器可以实现能量的双向流动，不但能实现由交流侧电网向负载传送能量的整流特性，而且能实现由直流侧向交流侧回馈能量的逆变特性，被称为新型四象限运行的整流器，有效地节约和利用了能源。由此可见，PWM整流技术代表着当今解决谐波污染问题，实现高功率因数和新能源利用的发展方向，是当今电力电子技术中最具基础和前景的技术之一。90年代初期美国学者Keyue M Smedley提出了一种新颖的控制方法即单周期控制，单周期控制的理念是基于实时控制开关的占空比，使每个周期内开关整流器二极管输出的脉冲波形的平均值恰好等于或者正比于控制参考量，平均输入电流跟踪参考电流且不受负载电流的约束，即使负载电流具有很大的谐波也不会使输入电流发生畸变。因而将单周期控制技术应用于PFC整流器中可以实现低电流畸变和高功率因数，这种控制方法取消了传统控制方法中的乘法器，使整个控制电路的复杂程度降低3。近年来，PFC技术的研究热点主要集中在以下几个方面：1新型拓扑结构的提出。主要是基于已有的或新的原理得到新型拓扑结构。2把DCDC变换器中的新技术(如软开关技术)应用于PFC电路中。3新的控制方法(基于已有拓扑结构的新控制方法)，以及基于新拓扑的特殊控制方法的研究，4单级PFC变换器的研究。采用单级结构后，由于PFC和DCDC变换部分存在不可避免的相互关系，因此有必要研究这类变换器的稳定性，以便设计出达到期望性能的开关电源。1.2功率因数校正的目的与意义1.2.1功率因数的定义及概念无功功率表示电抗性负载鱼电流之间进行能量交换的规模，通常字母Q表示。为与有功功率相区别，无功功率用乏（var）来表示。“无功”的含义是“能量交换”而不是“消耗”，他是相对“有功”而言的，绝不可以理解为“无用”。传统上功率因数(PF)用表示，其中为电压与电流之间的相角差，这只有当电压和电流均为正弦时才正确，一般意义上的功率因数定义为：PF=有功功率/视在功率=P/VI其中P有功功率 V、I电压、电流的有效值在大多数情况下，输入电压Vi是纯正弦的，其有效值为V，而输入电流i为非正弦，含有大量的谐波，其有效值为： (1-1)式中I1，I2，In电流的基波分量、二次谐波分量、n次谐波分量的有效值。假设基波电流I1滞后于输入电压Vi，相角差为，则有功功率和功率因数可以表示为： (1-2) (1-3)定义畸变因子为： (1-4)于是 (1-5)可以看出，功率因数PF即为两个因子的乘积：一个是相移因子，也有文献称之为相移因数，它描述了负载的电抗特性；一个是畸变因子，也有文献称之为失真因数，它与电流的波形有关。定义总谐波畸变率(THD)为总谐波有效值与基波有效值之比，即： (1-6)由（1-4）（1-5）式可得THD与畸变因子的关系为： (1-7)由上面的推导我们不难得到功率因数和总谐波畸变率的关系: (1-8)由式(1-8)可知，在cos 一定时，THD越大，功率因数也就越低，因此，提高功率因数也就应该从减小基波电压、电流之间的相角差和总谐波畸变率THD两方面入手。1.2.2谐波的危害当电网中的电流存在谐波时，由于电网阻抗的存在，谐波电流流过电网阻抗，会使负载端电压波形也出现畸变。在电压也含有谐波的情况下，功率因数就不能用(1-8)来定义，其定义有更复杂的形式，但通常电网电压的畸变较小，式(1-8)的误差并不大，因此通常还使用这一定义。功率因数不为1的负载给电网带来电能质量的问题，从式(1-8)来看，这类负载对电网的“污染”可以分为谐波电流和基波无功两部分，它们共同的危害是：(1) 从电网吸取无功电流，导致电网中流动的功率增加，加大了电网的损耗。(2) 增加了发电和输变电设备的负担，降低了电网的实际可以传递的有功率的大小。但是，由于谐波电流是非正弦的畸变电流，它对电网的危害更大：(1)造成电网电压畸变，影响其他设备正常工作。(2)使变压器、发电机、补偿电容等设备损耗加大，温升加大，甚至烧毁。(3)造成中线电流显著增加，使中线严重发热，甚至引起火灾。(4)引起电网谐振，破坏稳定性。(5)造成电网中继电保护装置误动作4。1.2.3改善功率因数的措施为抑制谐波，直接的方法是采用消除谐波的滤波器，可分为无源和有源补偿。无源滤波器是谐波补偿的传统方法。这种方法既可补偿谐波，又可补偿无功功率，而且结构简单、可靠性高、维护方便，因此得到广泛应用，但这种方法存在缺点：电容器对无功补偿是固定的，对负载变化的适应性差；动态响应慢，对快速变化过程效果差；为消除低次谐波，滤波器体积和重量很大，损耗也大；容易产生谐振。而有源滤波器是谐波抑制的重要趋势。有源电力滤波器相当于谐波发生器，用于产生和电网谐波大小相等，方向相反的谐波以抵消电网中的谐波，可以对幅值和频率都变化的谐波进行动态补偿，使电网电流只含基波分量，能够跟踪基波的变化，其补偿效果不受电网阻抗的影响。有源滤波虽然有很大的优越性，但也存在一些不足：一般有源滤波是集中设置，因而只对滤波器接入点前的电路有补偿效果，后级电路仍存在谐波问题，有源滤波器属于事后补救办法；实现谐波的检测、分离和补偿比较复杂，成本也较高。对于作为主要谐波源且功率因数很低的整流器，抑制谐波并提高功率因数的两种典型代表方法是：一是对电网实施谐波补偿的被动方法，装设补偿装置对其谐波进行补偿，即采用无源滤波或有源电力滤波电路来消除谐波：二是对电力电子设备自身进行改进的主动方法，对整流器本身进行改进。即设计新一代高性能的整流器，在整流器内部采取有源功率因数校正技术，从而改善整流器的工作原理，使其尽量不产生谐波，且电流和电压同相位，使之输入端近乎纯电阻特性，实现高功率因数、低谐波整流。相比而言，针对电网的谐波补偿是一种被动的方法，解决谐波问题的积极方法是清除或降低电力电子设备产生的谐波污染。传统的无源滤波器采用的是LC调谐滤波器，虽然这种方法既可以补偿谐波，又可以补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。但是这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。此外，它只能补偿固定频率的谐波，补偿效果不甚理想，同时还存在诸如波峰系数与谐波含量较高等技术问题，仍需进一步改进。 无源PFC电路同时作为一种整流电路的前端滤波器工作在工频状态时，使用的电容和铁心电感处于工频低通或带通状态，因而滤波器体积和重量比较大、电感上压降大、功率因数提高有限。有源电力滤波器是功率因数校正的主要方法，其基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。这种滤波器能对电流的频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。它具有体积小、重量轻、功率因数接近1 ，输入电流总谐波含量降到10%以下等特点。然而在实际中，产生合适的补偿电流是很困难的。与设置补偿装置来补偿谐波和无功功率相比，在某种意义上说，改进变流器自身性能的方法是一种更积极的方法，也是目前的研究热点之一4。目前由于场控高频自关断器件的迅速发展，可以借助它达到减少电网侧谐波电流的目的。其基本思想是，放弃传统的相控整流方案，代之以高频调制原理，然后通过适当的控制策略，使网侧电流遵循正弦波变化规律，这就是新一代整流电路即高功率因数整流器所依据的工作原理。1.3本课题研究目的及意义根据本文上述的功率因数过低对于电网和用电设备的危害。首先谐波的危害十分严重。谐波使电能的生产、传输和利用的效率降低，使电气设备过热、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。谐波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。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电力系统外部，谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。抑制谐波和提高功率因数还在于其对电力电子技术自身发展的影响。电力电子技术是未来科学技术发展的重要支柱。有人预言，电力电子连同运动控制将和计算机技术一起成为21世纪最重要的两大技术。然而，电力电子装置所产生的谐波污染已成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。抑制谐波和提高功率因数更可以上升到从治理环境污染、维护绿色环境的角度来认识。对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。在电力电子技术领域，要求实施“绿色电力电子”的呼声也日益高涨。目前，对地球环境的保护已经成为全人类的共识。对电力系统谐波污染的治理也成为电工科学技术界所必须解决的问题。因此，抑制谐波提高电力电子装置的功率因数成为一个十分重要的课题。虽然很多人己在PFC电路的拓扑结构和控制策略方面作了大量的卓有成效的工作，并己取得了显著的成果。但是这些方法中，或多或少的存在这样或那样的缺陷。本论文在对这些拓扑结构和控制策略研究分析2的基础上，设计了一种运用单周期控制技术的单相PFC整流器。运用该控制技术，可以在整流器的输入端得到很高的功率因数，且不受负载电流的影响。由于单周期控制是非线性和标准的脉宽调制(PWM)控制方法。对半导体开关变换器，运用单周期控制技术，许多不可实现的或以前由于太复杂而不能实现的功率处理任务，现在可以很容易的实现。单周期控制的核心电路包括带复位的积分器、几个线性器件和逻辑器件。单周期控制使昂贵的非线性电路单元和高速微处理器不再成为必需。而且，这种新的控制方法非常通用，能被用来控制单相和三相功率因数校正整流器，能直接应用于所有的DC/DC开关变换器，而且还可以用来控制有源电力滤波器。单周期控制技术概念直接而且电路实现简单，因此它为开关变换器提供了一种很好的控制方案。本文的PFC控制电路的设计即是根据单周期控制的原理来研究的4。1.4本章小结本章对PFC技术产生的前因后果都做出了详细的阐述，也对其危害和校正的必要性做出了详细的解释，并指出了功率因数的定义，及其校正的常用措施，国内外发展的动态，以及以后的展望。74 第2章 功率因数校正 第2章 功率因数校正2.1功率因数校正电路的分类2.1.1分类概述PFC可以分为无源PFC和有源PFC两种。前者用无源元件L、C和二极管组成创网络，来延缓MOSFET的dvdt和二极管的didt，从而减小开通损耗和反向恢复损耗，来改善输入功率因数。其特点是：简单，但体积庞大、笨重；有源PFC是用一个变换裂串入整流滤波器与DCDC变换器之间，其特点是控制复杂，但体积大大减小随着时间的推移，电力电子设备中的开关电源，相控整流器等非线性负载的大量的用，开拓了PFC技术的空间，人们起先运用的电感器与电容器构成的无源网络进行功因数校正，能使功率因数值PF提高到0.9。随着开关电源技术的突飞猛进，APFC技诞生了，1986年，美国公布了功率因数等于1的电源专利，这是最早的较完整的压式PFC电路。80年代是现代有源功率因数校正技术发展的初级阶段，此间的研究作主要是基于Boost变换器，工作方式围绕连续导电模式或不连续导电模式的理论研。到90年代，PFC技术取得了长足发展，有源PFC控制器也由原来的分体式变成集成式。有源功率因数校正电路在初期都是晶闸管电路，到了70年代以后，功率半导体器不断发展，开关变换技术日渐成熟，到了80年代，现代有源PFC技术应运而生。有PFC技术取得了长足的发展，由于有源PFC技术变换器工作在高频开关状态，具有积小、重量轻、效率较高和功率因数高等优点。80年代的有源功率因数校正下主要是基Boost变换器的功率因数校正，在此期间的研究工作主要集中在对工作在连续导电模(CCM)下的Boost变换器的研究上，这类变换器的各种控制方式一般是基于“乘法器”原理，这种模式下的功率因数校正技术可以获得很大的功率转换容量，即使到了现在，然广泛应用于各大功率的AC-DC变换器上。然而这种方式需要较复杂的控制方式和路，如果应用于小功率的形式下则不合理。在80年代末、90年代初，提出了利用某拓扑工作在不连续导电模式(DCM)下所表现出的输出电流自动跟随输出电压的特性，实现接近1的输入功率因数校正的方法，这种PFC技术称为自动功率因数校正技术或电压跟随器。2.1.2有源PFC的分类方式由于供电、控制方式和拓扑结构的不同，有源PFC电路可以有多种划分：从电网供电方式上可以分为单相PFC电路和三相PFC电路。根据电感电流是否连续，有源功率因数校正电路的工作模式可分为电流连续模式（CCM）、电流断续模式(DCM)和临界导电模式(CRM)。从开关模式上划分，有源PFC技术可分为硬开关模式和软开关模式。软开关模式主括两类：零电流开关PFC技术和零电压开关PFC技术。进一步划分，有串联谐振并联谐振型、串并联谐振型和准谐振型等软开关PFC技术。如果按控制输入电流的工作原理分，有源功率因数校正又可分为：（1）平均电流型：工作频率固定，输入电流连续。（2）滞环电流型：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、或下降。电流波形平均值取决于电感输入电流波形。（3）峰值电流型：工作频率变化，输入电流不连续。（4）电压控制型：工作频率固定，输入电流不连续。从电路结构上划分，有源PFC电路又可分为单级PFC电路(技术)和两级PFC电路。单级PFC变换器的研究。采用单级结构后，由于PFC和DCDC变换部分存在不可避免的相互关系，因此有必要研究这类变换器的稳定性，以便设计出达到期望性能的开关电源。（1） 变换器电路要有较好的处理谐波能力，可以满足各种标准的要求。（2）变换器要有较好的稳定电压输出能力。（3）变换器的电路拓扑应具有降低电压应力、减小电路损耗的能力。（4）为满足低功率场合的应用，电路结构简单和高效率3。2.2功率因数校正电路拓扑结构2.2.1单相PFC主电路拓扑结构单相功率因数校正的主电路拓扑结构通常采用开关变换器，从原理上说，任何一种DC-DC变换器拓扑如Buck, Boost, Buck-Boost, Fly-back, Cuk, Septic及Zeta变换器都可以作为PFC的主电路。图2-1给出了其中的三种常用的主电路拓扑，无论采用那种主电路拓扑结构，只要能使AC/DC变换器的输入电流波形跟踪输入电压波形，逼近正弦，就可以提高功率因数。(a).升压变换器 (b).降压变换器 (c).降压-升压变换器 (d).反激变换器图2-1几种常见的PFC电路拓扑2.3有源PFC的控制方法2.3.1电流不连续传导模式DCM控制又称为电压跟踪控制(Voltagefollower Contr)，它是APFC中简单而实用的一种控制方式，应用较为广泛。为了获得理想的稳定输出电压，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，因此输入电流自然跟随输入电压。工作在DCM的PFC生涯变换起大多带一个固定的开关频率（典型值约100khz）。通过电感器的电流呈高频三角波，在电感电流降为零之后，开关MOSFET不是接着道通，致使电感电流存在为零的死去而不能连续，工作在DCM的PFC变换器主要特点如下：（1）通常在固定频率下工作，在两个开关周期之间，电感电流存在等于零的死区，不能连续流动。（2）最大峰值电感电流超过最大平均输入电流的2倍，与其他模式的PFC变换器相比较，在同样的平均输入电流下有较大的峰值电感电流，因而需要选用较大电流容量的功率MOSFET和升压二极管。（3）适用于较低功率的场合。事实上，完全在DCM工作的PFC电路应用非常少见，目前有些新型PFC控制器实在DCM和临界模式两种模式下工作的。2.3.2电流临界传导模式电感电流临界模式也称作边界传导模式或过度模式。由于通过升压电感器的电流在两个开关周期之间存在等于零的分界点，显得不连续，所以许多半导体制造商将其生产CRM-PFC控制器称为DCM功率因数控制器。此时电源输入的平均电流与输入电压成正比，因此可以得到理论为1的功率因数，这就是变频控制的基本原理。在这种控制方案下，功率管的开启时间始终保持恒定，但开关周期必须随输入电压变化而变化，电感始终处于临界导电模式，因此这种控制方法又叫做恒导通时间控制法或临界导电控制法。电感电流CRM的有源PFC控制技术的特点如下：（1）电路结构简单，易于实现，适于300w以下功率的场合，在应关灯及低功率金卤灯和多高呀钠灯电子镇流器中得到广泛应用。（2）在每一个开关周期之内，电感电流呈三角波。在两个开关周期之间没存在电感电流为零的间歇点名单不存在电感电流等于零的死区。最大峰值电感电流呗先知在最大平均输入电流2倍的电平上，从而可使用电流容量小一些的功率元器件。（3）在PFC升压变换器输出端，可以产生经过调节的稳定DC输出电压，文波较小，且呈正弦波形，文波频率为AC线路频率的2倍。（4）开关频率不是固定的，而是随AC输入电压的瞬时变化而变化。2.3.3 电流连续传导连续导电模式时变换器电感电流是连续的，基本特点就是电感能量的不完全传输，每一个开关周期中，电感只把部分能量转移到输出电容中。CCM模式下有直接电流制和间接电流控制两种方式：2.4.3.1间接电流控制间接电流控制又称为相位幅值控制是一种基于工频稳态的控制方法，是通过控制整流桥输入端电压来间接实现电流的控制，其优点是结构简单，开关机理清晰。在CCM模式下，直接电流控制是用最多的方式，它也是发展的主流，适用于对系统性能指标要求较高的大功率场合。图2-2间接电流控制2.3.3.2 直接电流控制直接电流控制是目前应用最多的一种控制方式，基本思想就是将输入电压信号与输出电压信号相乘作为电流控制器的电流给定信号，电流控制器控制输入电流按给定信号变化直接选取电感瞬态电流作为反馈量和控制对象，图2-3乘法器控制方式其优点是电流的瞬态特性好，自身具有过流保护能力，但是需要检测瞬态电流，控制电路较为复杂。（1）可变回差控制技术（电流滞环控制）的有源功率因数校正。下面介绍采用这种控制方法的升压输出（Boost）有源功率因数校正电路的工作情况。滞环电流控制法实现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：上限基准电流环信号和下限基准电流环信号。当功率管导通，电感充电时，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导通，电感重新充电。（2）电流峰值控制技术的有源功率因数校正APFC中峰值电流控制法是从DC-DC变换器中峰值电流控制原理演变而来的，只是电流控制的参考信号(基准电流环信号)是正弦而不是直流。峰值电流控制法实现Boost型PFC电路的原理图和在半个工频周期内功率开关管的控制波形和电感电流波形。其中功率管的开关周期恒定不变。其工作过程为：当参考电流达到基准电流之前，开关一直处于导通状态。电流基准为桥式整流电压的取样值与参考电压的误差经放大器放大后输出。一旦电感电流达到基准电流，比较器便输出关断信号，使开关截止。以后定频时钟再次接通开关，重复上述过程。当交流电网电压从零变化到最大值时，控制波形的占空比逐渐由大到小，在半个工频周期内，占空比有时大于0.5，有时小于0.5。当占空比大于0.5时，外部的微扰可以被放大，导致系统电流不收敛，此时会产生次谐波振荡，为了防止这种情况的出现，电路中必须增加一个斜率补偿(Slope Compensation)函数，或称斜坡(Ramp)补偿，以使占空比在大范围变化时，电路能稳定工作。图2-4电流峰值控制但是定频峰值电流控制法的最主要问题是：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，并在一定的条件下会有相当大的误差。另外峰值电流对噪声也很敏感。（3）平均电流控制控制技术的额有源功率因数校正6图2-5平均电流控制图2-5是平均电流控制法实现Boost型PFC电路的原理图。误差放大器将输出电压信号和基准信号相比较放大，其输出信号和输入电压检测信号共同输入一模拟乘法器，使模拟乘法器产生一个和输入电压同频同相的半正弦波输出信号。高频的电感电流(输入电流)信号在采样后，通过一个el(比例一积分)器，被平均化处理。在SPWM(正弦脉冲宽度调制)逻辑控制部分，控制电路将输入电流平均值信号和模拟乘法器输出的半正弦波信号相比较，以产生对功率管的控制信号，其控制方式为：当检测到的平均输入电流大于乘法器的输出时，减小开关管控制信号的占空比，使输入电流减小；当检测到的平均输入电流小于乘法器的输出时，增加开关管控制信号的占空比，使输入电流增大。CCMPFC升压变换器的特点（1）采用固定频率平均电流模式控制。（2）驱动器输出PWM信号占空因数依赖于变换其输出电压与瞬时输入电压之间的比率，在输入电压从零按正弦规律变化到其峰值过程中，占空因数逐渐减小，在输入电压峰值附近，驱动脉冲宽度最窄，但开关周期是固定不变的。（3）与DCM和CRM等PFC技术比较，在同样的输出功率下，CCM-PFC采用平均电流模式控制，在PFC开关和升压二极管等功率期间上的电流应力较小，适用功率范围可从250W到4kW，并且EMI易于处理。使用于85264V的国际通用AC供电线路输入，几乎可实现单位功率因数，THD通常小于5%电流拓扑复杂，PFC控制IC引脚较多，成本较高。2.3.4单极双极PFC从电路结构上划分，有源PFC电路又可分为单级PFC电路(技术)和两级PFC电路(技术)。下面就单级PFC技术和两级PFC技术进行阐述。（1）单级PFC技术：单级PFC适用于小功率应用场合，它是尽量将PFC级和DCDC功率级中的一些元件共用，通常公用的元件是MOSFET。与传统的两级PFC电路相比较，节省了一个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。对单级PFC技术而言，功率因数和谐波电流的高低，与电感L的大小和拓扑绪论扑结构等密切相关，这是研究单极PFC结构的真正原因。同样，电容的大小对功率因数、效率和中间电容电压的影响很大。电容越大，功率因数就越高，但效率越低，中问电容电压就越高，反之亦然。由于在低功率应用中采用两级方案的成本太高，在竞争同益激烈的环境下，许多厂商和科研机构都开始关注单级PFC技术。特别是近5年的时间里，有大量的单级PFC拓扑被提出。一些厂家已成功的把它们应用到产品中去了，极大提高了产品的竞争能力。很多单级PFC拓扑可以直接从两级PFC拓扑经过简单的组合得到，单级PFC方案降低了变换器的成本。同两级PFC方案相比，单级PFC只有一个开关和一套控制电路，同时实现输入电流整形和输出电压的快速调节，储能电容可用来平衡PFC级和DCDC级之间瞬时不相等的能量。(2)两级PFC技术：两级PFC适用于较大功率输出的应用场合，它是通过在整流滤波和DC/DC功率级之间串入一个有源PFC作为前置级来实现的。主要研究方向是BoostPFC功率级的软开关技术和PFC的控制技术。两级PFC技术经过多年大量的研究，相对来说比较成熟。是最常用的方案。两级方案是由两个相互独立的变换器分别实现输入电流整形和输出电压的快速调节。前级一般采用Boost变换器实现输入电流整形，前级输出电压为储能电容C的电压V，具有一个小的二次谐波，电压的变化范围一般为380V-480V，再通过DC/DC变换器实现隔离和变换，得到直流输出电压。DC/DC变换器实现对输出电压的快速调节。两级PFC方案具有优良的性能，如输入电流的总谐波失真度一般小于5，功率因数可以到0.99或更高；但两级PFC方案因为具有至少二个开关和二套控制电路，增加了成本和复杂度。总体上说，成本低、结构简单、易于实现，并且具有软开关性能、高响应速度、低输出电压波纹的单级、隔离、高功率因数变换器是研究人员追求的目标。因此，研究单级PFC变换器就具有较好的前景和较高的研究意义。对于单级PFC变换器的般要求：（1）变换器电路要有较好的处理谐波能力，可以满足各种标准的要求（2）变换器要有较好的稳定电压输出能力。（3）变换器的电路拓扑应具有降低电压应力、减小电路损耗的能力。（4）为满足低功率场合的应用，电路结构简单和高效率。2.3.5 PWM整流器的调制方式（1)正弦脉宽调制(SPWM)SPWM技术是将正弦波调制信号与频率固定的三角载波信号相比较，交点作为开关点，得到一系列幅值相等、宽度不等的高频脉冲序列，经过整流器的功率放大后，能够准确地再现调制波信息。SPWM具有优良的传输特性、优化的频谱分布，成为当今调制技术的基本方式。SPWM模拟实现简单，不产生延时。数字实现的SPWM一般采用规则采样。（2）滞环电流控制滞环电流控制是一种简单的Bang-bang控制，它集电流控制与PWM于一体。实际电流与指令电流的上、下限相比较，交点作为开关点。指令电流的上、下限形成一个滞环。滞环电流控制是基于电流暂态的控制，具有内在的限流性能，动态响应速度快、鲁棒性好，电流跟踪误差小，硬件实现容易。（3）单周控制单周控制的基本思想是通过控制开关占空比，在每个开关周期内强迫开关变量的平均值与控制参考量相等或成一定比例，从而在一个开关周期内自动基于半桥PWM整流器的PFC研究。消除稳态、瞬态误差，前一开关周期的误差不会带到下一开关周期。单周控制能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，缺点是需要快速复位的积分电路。本文采用的就是单周期控制的方法。2.3.6其它新型控制方式传统的CCM模式下电流的控制需要乘法器和对输入电压与输入电流进行检测，控制电路复杂