【毕业论文】开关电源功率因数校正电路设计

毕业设计说明书开关电源功率因数校正电路设计院、系、部电力工程学院专业电气工程及其自动化（电力系统及其自动化）2008年6月南京摘要随着电力电子技术的发展及电力电子装置的普遍应用，在电力系统中产生了大量的电力谐波，谐波问题已经成为电气工程领域关注的焦点问题之一。有源功率因数校正（APFC）技术作为消除电网谐波、提高整流装置功率因数的一种有效措施，受到学术界普遍关注，发展十分迅速，其分类越来越多，应用越来越广。本文介绍了功率因数校正（PFC）技术的发展及其主要特点，阐明了其研究的必要性和重要性。分析了各种功率因数校正的基本工作原理，并从主电路的拓扑形式和控制方式分析了各类有源功率因数校正的方法，本文还介绍了功率因数校正技术的热点问题和发展方向。以单相有源功率因数校正系统为背景，介绍了目前常用的有源功率因数校正控制技术的分类和各自的特点。单相BOOST型有源功率因数校正系统进行了设计，建立了MATLAB的仿真模型，并进行了仿真分析。通过理论分析和仿真分析说明平均电流控制的单相BOOST型有源功率因数校正器具有实现简单、抗干扰能力强、响应速度快、适应输入电压和负载变化范围宽等优点。论文分析了BOOST变换电路，并且应用UC3854搭建了仿真电路，设计、计算了主电路和控制电路的所有参数，在此基础上，用MATLAB/SIMULINK进行了整个电路的仿真。经验证，电路的功率因数有了明显改善。关键词开关电源，功率因素校正，电路设计，平均电流型ABSTRACTAGREATAMOUNTOFPOWERHARMONICSISPRODUCEDALONGWITHTHEDEVELOPMENTOFPOWERELECTRONICSANDTHEWIDEAPPLICATIONOFPOWERELECTRONICSEQUIPMENTSHARMONICISSUEHASBECOMEAFOCUSOFCONCERNINTHEFIELDOFELECTRICALENGINEERINGPROBLEMSACTIVEPOWERFACTORCORRECTION（APFC）ISREGARDEDASANEFFECTIVEWAYTOCORRECTPOWERHARMONICSANDTOIMPROVEPOWERFACTORANDHASBEENPAIDMUCHATTENTIONBYTHEACADEMICCOMMUNITYITDEVELOPSVERYQUICKLYANDBEAPPLIEDMOREWIDELYTHISTHESISDESCRIBESTHEMAINCHARACTERSANDDEVELOPMENTOFPOWERFACTORCORRECTION（PFC）TECHNOLOGYITSINVESTIGATIVENECESSITYANDIMPORTANCEARECLARIFIEDTHEBASICTHEORYFORALLSORTSOFPOWERFACTORCORRECTIONISANALYZED，ANDTHETOPOLOGYANDCONTROLCIRCUITARESTUDIEDINTHETHESISTHEHOTPROBLEMSANDDEVELOPMENTOFPFCTECHNOLOGYAREANALYZEDFARTHERTAKINGSINGLEPHASEAPFCSYSTEMSASANOBJECT,THISDISSERTATIONINTRODUCESTHECLASSIFICATIONANDTHEIRRESPECTIVECHARACTERISTICSOFTHECONTROLSTRATEGYOFAPFCINCOMMONUSEATPRESENTTHESINGLEPHASEBOOSTAPFCSYSTEMOFTHEPREDICTIVEAVERAGEDCURRENTMODECONTROLISDESIGNEDBUILDINGTHESIMULATIONMODELWHICHACCEPTEDBYTHEINTERNALOFMATLABANDTHESIMULATIONRESULTSAREANALYZEDTHEORETICALANALYSISANDSIMULATIONANALYSISSHOWTHATTHESINGLEPHASEBOOSTAPFCOFTHEPREDICTIVEAVERAGEDCURRENTMODECONTROLHASASIMPLEANDANTIINTERFERENCECAPABILITY,FASTRESPONSETIME,MEETTHEWIDERANGEOFINPUTVOLTAGEANDLOADADVANTAGESTHEBOOSTCIRCUITISANALYZEDANDAPRACTICECIRCUITUSINGUC3854ISDESIGNEDINTHISPAPERITALSODESIGNTHEPARAMETERSACCORDINGTOTHEVALIDATEITSIMULATESTHEWHOLECIRCUITBASEDONTHEMODULETHEPOWERFACTORDEVELOPSMUCHBETTERKEYWORDSSWITCHPOWER,POWERFACTORCORRECTION,CIRCUITDESIGN,AVERAGECURRENTTYPE目录摘要IABSTRACTII1绪论111引言112功率因素的概念113功率因数校正（PFC）的提出314论文研究的目的415论文研究的意义516论文研究的主要内容52开关电源的基本构成、分类及原理分析721开关电源的发展背景722开关器件723开关电源的基本构成824开关电源的分类925开关电源的整流技术103有源功率因数校正（APFC）的技术1231APFC的基本原理1232APFC的控制方法1233单相APFC系统的技术分类1934APFC的研究现状及发展趋势204基于UC3854的BOOST型APFC的原理与设计2241BOOST型APFC的基本工作原理2242UC3854的结构与功能2343主电路设计2844控制电路设计3145反馈补偿网络的初步设计345BOOST型PFC的MATLAB仿真研究与分析3751MATLAB软件的简介3752基于SIMULINK的仿真模型3853系统仿真结果及分析406总结与展望50致谢51参考文献52附录1外文资料翻译54A11译文UC3854可控功率因数校正电路设计54A12原文UC3854CONTROLLEDPOWERFACTORCORRECTIONCIRCUITDESIGN641绪论11引言在现代的电子产品的应用中，电源是一个重要的组成部分，电源是利用电能变换技术将市电或电池等一次电能转换成适合各种用电对象的二次电能的系统或装置。二十世纪八十年代以来，随着电力电子技术的不断发展，越来越多的电力电子设备被广泛应用到各种不同的领域，如通讯、交通运输、工农业生产、国防建设等等，不管什么电子设备都离不开电源，随着电子、功率集成、自动控制、计算机等技术的发展，各种各样的开关电源得到越来越多的开发和应用。所以近年来随着电子信息产生的高速发展，人们对开关电源的需求是与日剧增，开关电源PFC集成控制器已成为提高开关电源效率，减少电网污染的核心技术，开关电源的开发、研制和生产已成为发展十分诱人的朝阳产业。随着开关电源的广泛应用，开关电源PFC集成控制器显示出了强大的生命力，它具有集成度高、外围电路简单和性能指标优良等特点。在现在的电力系统中，大量使用整流电路给人们解决了很多问题，但同时又引入了新的问题，其中最严重的问题就是使电网含有严重畸变的非正弦电流。这样的谐波电流对电网有危害作用，使得输入端的功率因数非常底。对于电源，我们普遍关注的品质是高效率、高功率因数、低噪音。功率因数问题可归结为电源谐波问题的一种，它早在二十世纪二十年代就已经提出了。随着电源技术的发展，无电网污染、无电磁干扰、省电节能等绿色指标成为热门话题，为了减少电子设备对交流电网的谐波污染，越来越多的国家对用电设备的输入电流谐波含量加以限制，提出了不少限制输入电流谐波的标准，如IEC5552、IEEE519、IEC100032。人们试图找到一种低成本，高性能的单变换器功率因数可改善的方法，这样就形成了电源系统研究的一个新领域。现在，为了降低输入电流谐波，通常采用功率因数校正（POWERFACTORCORRECTION简写成PFC）技术1。12功率因素的概念自二十世纪六七十年代以来，电力电子技术得到了飞速发展，电力电子装置在工业、农业等领域都得到了广泛的应用。谐波电流与谐波电压严重地污染了公用电网，从不同的变流装置到各种的开关电源，均不同程度含有谐波电流，影响了供电质量和电力系统及各用户的使用安全。因此，对电力系统的谐波加以抑制成为必然趋势2。在含有谐波的非正弦电路中，有功功率（P）仍然可以定义为瞬时功率在一个周期内的平均值，用N表示谐波次数，即（11）2101COSNPUIDWTUI引入视在功率（S）的概念，表示交流电源的容量，则（12）21RNSUII那么功率因数（PF）就是有功功率的基波分量和视在功率的比值，如下式（13）1111COSSCORPIIFS式13中，为输入电流基波有效值；为电网电流有效值，1I，其中，为输入电流各次谐波有效值；为输22RNI2I3NIIV入电压的有效值；为输入电流的波型畸变因数（DISTORTIONFACTOR），为位1COS移因数（DISPLACEMENTFACTOR）。即功率因数为波形畸变因数和位移因数的乘积。为了更好的表征电流失真给非线性电路带来的影响，用总谐波畸变THD（TOTALHARMONICSDISTORTION）来衡量电流波形失真情况。即（14）12ITHDN基波电流有效值高次谐波电流总有效值是可以得到输入电流的波形畸变因数与总谐波畸变THD的关系如下（15）12RITHD如果基波电流与输入电压之间的相位差为零，则可由式（13）、（14）得（16）21PF由式（14）中所得THD值和PF值的关系如表11所示。表11已知PF值时THD的计算结果（设）0PF05812099030995099875099955THD（计算值）140141053由表11可知，THD指标能很好的衡量非线性电路的功率因数，THD5时，PF值可控制在0998左右。13功率因数校正（PFC）的提出从220V交流电网经输入整流滤波后供给直流是电力电子技术及电子仪器中应用极为广泛的一种基本变流技术3。如图11A所示的AC/DC变换器中，交流市电经二极管整流和大电容滤波后，得到较为平滑的直流电压再由直流变换器进行DC/DC变换，得到要求的输出。整流二极管的非线性和滤波电容的储能作用，使得输入电流（即电容器的充电电流）成为一个持续时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流，如图1LB所示，从而导致功率因数较低（06左右），总谐波畸变大（超过100）。CIND1D2D3D4RIU直流变换器A）B）图11AC/DC变换器和输入的电压和电流对这种脉冲状的电流进行傅立叶分解，可得到如下表达式（17）135SINISINNIITITIT式（17）中，I1为基波分量；、I3、I5分别为三次和五次谐波分量。由于输入电流是一个奇次函数，所以表达式中只含有奇次谐波。由上述分析可知，输入电流中除含有基波外，还含有大量谐波分量。由于只有基波电流能够产生有功功率，高次谐波使视在功率增加，所以AC/DC变换器输入端功率因数下降。此外，大量谐波分量涌入电网，造成对电网的谐波“污染”。谐波的主要危害如下451产生“二次效应”。2谐波会造成输电线路故障，使变电设备损坏。3谐波影响用电设备。4谐波会使测量仪器附加谐波误差。5谐波会使通信电路造成干扰。这些都严重影响了电能质量、输电效率、设备的安全运行与正常使用。为解决电力电子装置以及其他谐波源的谐波污染问题，有两种思路可供选择一是在电网侧安装补偿装置来补偿谐波，继而抑制无功功率，这适用于各种谐波源；二是对电力电子装置等谐波源本身进行改造，使其不产生谐波，且功率因数控制在1，这种做法只适用于如开关电源的电力电子装置。相比第一种做法，后者显得更加积极主动。为了抑制电力电子装置对电网产生的谐波，就要在装置前加功率因数校正装置。对于数量多而且分散的开关电源系统，解决其谐波污染问题最理想的方法是在电源内部进行功率因数校正（PFCPOWERFACTORCORRECTION），从根本上消除谐波源。通常采用无源功率因数校正（PPFC）和有源功率因数校正（APFC）等方法6。无源功率因数校正（PPFC）典型的无源功率因数校正技术是在交流侧接入谐振滤波器或者在整流桥后接一个滤波电感和滤波电容组成的无源滤波网络，使输入电流中的谐波满足抑制要求。有源功率因数校正（APFC）其基本思想是在整流器和负载之间接入DC/DC变流器，应用电流反馈技术直接使输入电流跟踪电网电压波形，使之成为同相位的正弦波。同时应用电压反馈技术，使得DC/DC开关变换器的输出端电压保持恒定，提供给负载电路使用。这种方法在理论上可将功率因数校正到099以上，故在大容量的开关电源系统中使用较普遍。因此有源功率因数校正的重要性更显突出。14论文研究的目的随着电力电子技术的飞速发展和计算机，通讯及IT网络的广泛应用，大量的电力电子装置投入电网，非线性整流电源取代早期的电动机和变压器等，成为电网中主要的电力公害。引入电网中的电感或电容使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，故功率因素较低（一般在065左右），谐波成分很大，给电力系统带来严重的谐波污染。而采用有源功率因素校正技术后功率因素可提高到099以上，既治理了电网的谐波污染，又能提高开关电源的整体效率。对此就要进行功率因数校正的原理和技术的分析，确定本系统的功能组成，并进行系统的总体设计，确定系统结构以及硬件的要求。本设计将对功率因数校正的原理和技术进行较系统的综合和评述，深入理解等效小参量法，总结并推广和应用，并采用电压、电流双闭环控制和平均电流控制的方法来实现功率因数校正，取得治理电网的较好的效果。15论文研究的意义电源是各种电子设备必不可少的组成部分，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性的高低。开关电源是目前电子设备中应用最为广泛的一种电源装置，具有损耗低，效率高，电路简单等显著优点，主要应用在计算机，电子设备，仪器仪表，通信设备和家用电器等中，开关电源功率因数校正（POWERFACTORCORRECTIONPFC）电路设计，现已成为最具发展前景和影响力的一项高新技术产品，开关电源PFC集成控制器显示出强大的生命力，它具有集成电路，已成为提高开关电源效率，减少电网污染的核心技术，现已成为开发各类电源及电源模块的优选集成电路。开关电源以其效率高、功率密度高而在电源领域中占主导地位，然而开关电源多数是通过整流器与电力网相接的，经典的整流器是由二极管或晶闸管组成的一个非线性电路，在电网中会产生大量的电流谐波和无功功率而污染电网，成为电力公害。传统的开关电源存在一个致命的弱点，即功率因素低，一般仅为045075，而且其无功分量基本上为高次谐波，其中三次谐波的幅度约为基波幅度的95，五次谐波的幅度约为基波幅度的70，七次谐波的幅度约为基波幅度的45，九次谐波的幅度约为基波幅度的25。则为了减小因其产生的谐波电流对工频电网的污染，有源功率因数校正技术可以提高变换器输入端的功率因数、有效地解决谐波电流的污染问题。由于BOOST变换器的特殊优点，在传统的单相两级APFC电路中常被用作前置级以得到较高的功率因数。采用电压、电流双闭环控制和平均电流控制的方法简化控制结构、消除低频振荡，使功率因数接近为1，从而使当今有源功率因数校正的控制结构走向简单化、高效化发展的趋势。16论文研究的主要内容抑制开关电源产生谐波的方法很多，根据课题要求主要设计新一代高性能整流器，它具有输入电流为正弦波、谐波含量低以及功率因素高等特点，即具有功率因素校正的功能。目前广泛使用的改善功率因素的方法主要采用有源功率因素校正法，它直接采用的是有源开关或AC/DC变换技术，使输入电流成为和电网电压同相位的正弦波。有源功率因数校正技术是抑制谐波电流、提高功率因数的行之有效的方法，本文是在单相BOOST型电路中得到了广泛的应用。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的主电路拓扑及控制方法进行了分析与比较，总结其特点；选择BOOST变换器为主电路拓扑，采用UNITRODE公司的UC3854芯片，设计了单相有源功率因数校正电路，并计算出具体电路参数。有源功率因数校正的主电路拓扑是在整流器与负载之间接入一个DC/DC开关变换器，应用电流反馈技术，使输入端电流的波形跟踪交流输入正弦电压的波形，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。同时应用电压反馈技术，使得DC/DC开关变换器的输出端电压保持恒定，提供给负载电路使用。这种方法在理论上可将功率因数校正到099以上，达到使功率因素提高，减少谐波污染。本次设计采用了电压、电流双闭环控制和平均电流控制的方法来实现功率因素校正，并设计电路，通过学习MATLAB的仿真，对功率因数校正的原理和技术进行模型搭建，对防真结果进行分析，实现有源功率因素的校正来改善电网的目的。2开关电源的基本构成、分类及原理分析21开关电源的发展背景随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。传统的线性稳压电源具有稳定性能好、输出电压纹波小、使用可靠等优点。但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管的功耗较大，电源效率很低，一般只有45左右。另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备发展的需要。开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。磁性元件耦合的功率为（21）FLIP21电容元件耦合的功率为（22）CV2由于频率的提高，为了保持恒定功率，电感L、电容C需要减小，从而达到了开关电源器件小型化的目的。此外，高频开关电源具有工作频率高，效率高，可靠性高等特点，越来越受到人们的重视，开关电源的技术追求和发展趋势可概括为几个方面小型化、薄型化、轻量化、高频化；高可靠性；低噪123声；采用计算机辅助设计和控制。422开关器件1功率场效应晶体管MOSFET7即是MOS（METALOXIDESEMICONDUCTOR）金属氧化物半导体FET（FIELDEFFECTTRANSISTOR）场效应晶体管，即以金属层栅极（S）隔着氧化层（O），利用电场的效应来控制半导体效应晶体管。功率场效应管由于采用单极性多子导电，使开关时间显著地减小，很容易达到1MHZ的开关工作频率，但是MOSFET提高器件阻断电压必须加宽器件的漂移区，结果使器件的内阻迅速增大，通态压降增高，通态损耗增大，所以只能应用于中小功率电路。DSG2468/GSUV/DIA5040302010A）电气特性B）转移特性图21MOSFET的电气图型符号和转移特性2绝缘栅双极晶体管IGBT（INSULATEDGATEBIPOLARTRANSISTOR）,IGBT是MOS结构双极器件，属于具有功率MOSFET的高速性能与双极的低电阻性能的功率器件。其图形符号如图22图A、图B,其应用范围一般都在耐压为600V以上、电流为10A以上、频率为1KHZ以上的区域。碳化硅是一种性能非常优越的半导体制造材料，它的研究是通过升华法直接从气体状态生成晶体。当碳化硅制造的半导体器件得到广泛应用时，对电力电子技术的影响将会非常的大。一般应用于大功率电路或复杂的智能维护中。A）N型B）P型图22IGBT的电气图形符号23开关电源的基本构成基本构成由DC/DC变化器，采样电阻、，比较放大器，PWM和驱动器1R2组成，电路图如下图23。DC/DC变换器驱动器PWM比较放大器R2R1URU1U0图23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路、检测其变化，与基准电压1R2比较放大后通过PWM控制其占空比，并由驱动器驱动。RU24开关电源的分类开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类。1DC/DC类开关电源DC/DC类开关电源是将固定的直流电压变成可变的直流电压，也称为直流斩波器，其工作方式有两种一是脉宽调制方式，T不变，改变T，二是频率调制方式，T不变而改变T（易产生干扰）8，。具体电路分以下几类1BUCK电路降压斩波器，其输出平均电压低于输入平均电压，极性入出相同。2BOOST电路升压斩波器，其输出平均电压高于输入平均电压，极性入出相同。3BUCKBOOST电路降压或升压斩波器，其输出平均电压大于或小于输入电压，极性入出相反，电感传输。4CUK电路降压或升压混合斩波器，其输出平均电压大于或小于输入电压，极性入出相反，电容传输。2AC/DC变换器AC/DC变换器是将交流变换成直流，其功率电流流向可以是双向的。功率电流流向负载的称为“整流”功率电流流向电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器按电路的结构方式可分为半波电路和全波电路；按电路的特点可分为不可控、半控和全控三类；按电源相数可分为单相、三相和多相；按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限和四象限。3电路结构开关型稳压电源的电路结构有多种1按驱动方式分，有自励式和他励式；2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、升压式和升降压式等；3按电路组成分，有谐振型和非谐振型；4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；5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。25开关电源的整流技术1开关整流器技术开关整流器是电源系统中最重要的部分，它的技术是否先进，关系着开关电源系统的功能和可靠性9。高频开关电源的整流二极管不同于普通的二极管，因为在普通频率整流时，二极管承受正向和反向的压降一样，这里存在一个反向恢复时间，在频率低的时候反向恢复时间比较短，对二极管造成的影响几乎没有，但是当高频的时候，由于反向恢复时间的增大，比如增大到1微秒，那对二极管影响将非常大。所以，选用适当的二极管，从而满足高频开关电源的需要同样是一个需要注意的问题10。（1）恒功率整流技术其突出特点是在规定的交流输入电压和直流输出电压范围内均能给出额定功率；它与限流型整流器的不同之处，是在恒压和恒流阶段中插入一个恒功率阶段，此时，系统仍处于正常工作状态。（2）倍流整流器技术是由一个没有中心抽头的高频变压器次级绕组、两个电感量相等而且同绕在一个磁心上的电感器、两个整流二极管和输出电容器组成。倍流整流器最突出的特点是高频变压器次级绕组没有中心抽头，而且流过变压器线圈和滤波电感器的电流只是输出负载电流的一半。因此，大大简化了高频变压器和滤波电感器的结构设计。2同步整流技术当今功率变换器都向着低压大电流发展，随着电压的不断降低，整流损耗成为变换器主要损耗。采用低导通电阻的MOSFET进行整流能有效提高变换器效率，此即为同步整流技术。同步整流有两种驱动方式电压驱动和电流驱动。（1）同步整流技术与传统技术的对比在传统的次级整流电路中，肖特基二极管是低压、大电流应用的首选。其导通压降大于04V。但当电源模块的输出电压随着电子技术发展而逐步降低时，采用肖特基二极管的电源模效率损失非常大，应用已不现实。在低输出电压应用中，同步整流技术有明显优势，功率MOSFET导通电流能力强，可以达到60A以上。采用同步整流技术后，次级整流的电压降等于MOSFET的导通压降，由MOSFET的导通电阻决定，而且控制技术的进步也降低了MOSFET的开关损耗。并且，同步整流技术提高了次级整流效率，使生产的电压、大电流、小体积的电源模块成为现实。（2）同步整流技术的优势同步整流技术提高了电源效率，它有以下许多显著优点A由于基板结构复杂、控制电路板、散热器及磁芯元件的安装和焊接都需要人工，增加了故障可能性，降低了生产效率，而同步整流技术可以使用无基板开放式结构，以上问题得到解决。B采用同步整流技术的电源模块是开放式结构，高度仅为10MM，节约了机架空间，利于通风，方便控制板上其它芯片的散热；更高的功率密度使电源模块节约了通信控制板上所占的空间；较低的功耗减少了分布式系统前端主电源的负担，节约了系统投资。C采用同步整流技术后，增强了抗电磁干扰的能力。由于减少了基板，所以原先存在于基板和接地间以及基板和元件间的寄生电容没有了，这些寄生电容带来的较大共模干扰也消失了，提高了电源抗电磁干扰的性能。3有源功率因数校正（APFC）的技术31APFC的基本原理理论上，任何一种DC/DC变换器拓扑都可以作为APFC的主电路，由于BOOST变换器的突出优点，在APFC中应用更为广泛。基于BOOST变换器的APFC工作原理方框图如图31所示。ACDKUR1R2VCR3R4负载D输出电压检测高频三角波发生器误差放大器PWM比较器输入电压检测输入电流检测乘法器PWM控制器REFVFR图31基于BOOST变换器的APFC工作原理方框图PFC的工作原理如下11主电路的输出电压和基准电压比较后，送给0UREF电压误差放大器，整流电压检测值和电压误差放大器的输出电压信号共同加到乘法器的输入端，乘法器的输出则作为电流反馈控制的基准信号，与输入电流检测值比较后，经过电流误差放大器，其输出再经过PWM比较器加到删极驱动器，以控制开关管V的通断，从而使输入电流（即电感电流）的波形与整流电压LI的波形基本一致，使电流谐波大为减少，提高了输入端功率因数，由于功率DCU因数校正器同时保持输出电压恒定，使下一级开关电源设计更容易些。32APFC的控制方法APFC的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究，目前国外已经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。常用集成控制器的型号有ML4812、ML4813、ML4821、MC34261、TDA4815、TDA4816、KA7514、UC3852、UC3854等；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集成控制器，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。这样不仅保持了AC/DC变换器原有的功能，减少了元器件数量，而且提高了系统的可靠性，缩小了装置的体积。这种硬件形式是AC/DC技术发展的新方向。单相有源功率因数校正变换器可以使用多种控制方案，其中包括传统的平均电流控制、电流滞环控制和电流峰值控制，也可以应用非线性技术。以下以单相有源功率因数校正系统为背景，论述各种典型的控制方案。根据电感电流是否连续，有源功率因数校正技术（APFC）可分为不连续导通模式（DISCONTINUOUSCONDUCTIONMODEDCM）、连续导通模式（CONTINUOUSCONDUCTIONMODECCM），以及介于两者之间的临界导通模式（CRITICALCONDUCTIONMODECRCM）。有的电路还根据负载功率的大小，使得变换器在不连续导通模式和连续导通模式之间相互转换，称为混连模式（MIXEDCONDUCTIONMODEMCM）。根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈量和被控制量，CCM模式又可分为间接电流控制（INDIRECTCURRENTCONTROL）和直接电流控制（DIRECTCURRENTCONTROL）两大类。321临界导通模式临界导通模式（CRCM）的单相BOOST型有源功率因数校正电路工作原理框图如图32所示，误差放大器为基准乘法器提供一个误差输入信号，基准乘法器的另一个输入信号来自于交流市电输入电压经整流后输出直流电压的取样，基准乘法器的输出是这两个信号的乘积，是一个交流市电经全波整流后并乘了增益因子的全波整流输出电压，这个输出信号的幅度被维持在使有源功率因数校正电路的输出电压能保持恒定的电信号幅度范围内。电流成形网络强迫它输出的电流信号波形跟踪乘法器的输出信号波形。当有源功率因数校正功率开关管SW导通时，通过有源功率因数校正电感的电流上升，当有源功率因数校正功率开关SW的电流取样电压值上升到基准电压值时，通过有源功率因数校正器电感的电流停止上升。这时，控制逻辑电路的输出状态发生变化，使有源功率因数校正功率开关管SW截止，通过电感的电流开始朝零的方向下降，直至下降为零（这点利用一个零电流检测电路来实现），控制逻辑电路的输出状态发生变化，使功率开关管SW导通，通过电感的电流又开始上升，如此周而复始。其电感电流波形如图33所示，CRCM的单相BOOST型APFC的优点无需斜坡补偿；开关电流损耗小。12不足点工作于变频工作方式，EMI干扰问题需引起重视，这样对输入滤波电路的设计要求较高。SWC负载L控制逻辑零电流检测电压误差放大器0VREFACD乘法器IVDI电流成形网络图32CRCM的BOOST型APFC的原理框图ITONFSW峰值电流电感电流平均电流图33CRCM的BOOST型APFC电感电流波形图322DCM控制方式DCM的单相BOOST型APFC（又叫电压跟随器VOLTAGEFOLLOWER）如图34所示，其电感电流波形如图35所示，该方式完全省掉了电流环，功率开关管SW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正比于输入电压，因此，输入电流波形将自然地跟随输入电压波形。与乘法器型APFC电路相比，电压跟随器APFC电路可以直接采用常规的PWM来控制输出电压和同时获得接近于1的功率因数，因此控制电路简单，仅需一个输出电压来控制功率开关。DCM的单相BOOST型APFC的优点是功率开关管SW实现零电流开通且不承受二极管的反向恢复电流；电路简单，不需要乘法器，无需电流采样；简单的PWM控制。该控制方法的缺点是由于电感电流不连续，造成电流纹波较大。SWC负载LPWM控制器0VREFACIVD电流误差放大器ONV图34DCM的BOOST型APFC的原理图此方法是根据某些DC/DC变换器具有电压“跟踪”特性，控制开关导通方式，使输入电流平均值跟踪输入电压，达到功率因数校正的目的，设输入电流为，峰值电流为，平均电流为，对于电感IPEAKIAVGIL（31）TV1TTD在一个周期T内（32）1PEAKI其中为占空比1DD则（33）TPEAKDTVIL（34）12AVGPEAKT如保持为常数DT35AVGTIV可见，此电路输入电流具有电压跟随特性，根据变换器开关工作模式，该方法又可分为零电流连续控制模式和电流断续控制模式。（1）电流连续控制模式电流连续控制模式的输入电流波形如图35A所示。它采用了恒定导通时间及零电流开关技术，使输入电流自动得到校正。（2）电流断续控制模式电流断续控制模式的输入电流波形如图35B所示。AVGIAVGIAB图35电流波形图以上两类控制方法各有特点，电压跟随器电路简单，使用方便，但输入电流波形随输入与输出电压之比值的增加而失真增大，而且开关峰值电流较大，故适合于小功率场合，对于中大功率，利用乘法器控制方法有其优越性，其开关峰值电流较小，通态损耗小，效率高，但控制电路比较复杂。323CCM控制方式CCM控制方式有直接电流控制和间接电流控制两种方式。直接电流控制的优点是电流瞬态响应特性好，自身具有过流保护能力，但需要检测瞬态电流，控制电路复杂；间接电流控制的优点是结构简单，但自身无过流保护能力。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。通过控制输入端电压，使其与电源电压保持一定的相位、幅值关系，从而控制输入电流呈正弦波形，且与电源电压保持同相位，使装置运行在单位功率因数状态。间接电流控制的缺点自身无限流功能，另需过流保护电路；1系统从一个稳态向另一个稳态过渡时电流会出现直流分量；系统动态响应慢。23利用状态反馈克服直流偏移问题，但引入反馈量过多，控制系统变得很复杂，称其解决了直流偏移问题，但本质上却是直接电流控制。间接电流控制的上述缺点影响了它在APFC技术中的应用。2直接电流控制直接电流控制的基本思想就是将输入电压信号与输出电压误差信号相乘后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。由于控制结构中含有乘法器，因此直接电流控制又称为乘法器控制。根据检测电流不同，直接电流控制又分为电流滞环控制、电流峰值控制和平均电流控制三种控制方法。3231电流滞环控制它检测的是电感电流，滞环比较器的特性和继电器特性一样，有一个电流滞环带。当电感电流达到基准下限值IMIN。时，功率开关管SW导通，电感电流上升；当电感电流达到基准上限值ZMAX时，功率开关管SW关断，电感电流下降。由电流滞环比较器的输出信号控制功率开关管SW的导通与关断。图36所示给出了电流滞环法控制的单相BOOST型APFC的电感电流波形图。电流滞环宽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。电流滞环控制法的优点是功率因数高；开关电流定额小；电流有效123值小，EMI滤波器小；输入电流失真小；无需电流斜坡补偿。但电流滞环法45控制负载大小对开关频率影响甚大，因此不可能得到体积和重量最小的设计。ITLIT00GUMAXMIN图36电流滞环控制时的电感电流波形3232电流峰值控制电流峰值控制的单相BOOST型APFC的取样电流取自开关电流或电感电流，其电感电流波形如图37所示。电流峰值控制的单相BOOST型APFC的工作原理为当电感电流或开关电流达到峰值（由电流基准控制）以前，功率开关一直处于导通状态。桥式整流电压的取样值与输出电压和参考电压的误差放大信号相乘后由乘法器输出作为电流的基准。开关电流达到峰值时功率开关关断。以后定频时钟再次使功率开关导通，重复上述过程。电流基准为双半波正弦电压，令电感（输入）电流的峰值包络线跟踪输入电压的波形，使输入电流与电压同相位，并接近正弦。ITPLIT00GU图37电流峰值控制时的电感电流波形电流峰值法控制的单相BOOST型APFC存在的问题是当占空比大于05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，需要在比较器的输入端增加一个斜率补偿函数，以便在占空比大于05时系统也能稳定工作。由于电流的峰值与平均值之间存在较大误差，无法满足THD很小的要求。此外，该控制方式对噪声相当敏感。3233平均电流控制平均电流控制的单相BOOST型APFC其电感电流波形如图38所示。平均电流控制的单相BOOST型APFC的取样电流取自电感电流。它与上述两种控制方法的不同就是用电流误差放大器代替电流比较器。平均电流控制原来是用在开关电源中形成电流环（内环），以调节输出电流的，并且仅以输出电压误差放大信号为基准电流。现在将平均电流法应用于功率因数校正，以输入整流电压和输出电压误差放大信号的乘积作为电流基准；并且电流环调节输入电流平均值，使输入电流与输入整流电压同相位，并接近正弦波形。输入电流信号被直接检测，与基准电流比较后，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，给功率开关SW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。由于电流环有较高的增益带宽，使跟踪误差产生的畸变小于1，容易实现接近于1的功率因数。平均电流控制的优点是电流环具有较高的增益带宽、瞬态特性较好、平均电流控制的THD和EMI较小、对噪声不敏感、开关频率固定，适用于功率较大的场合。ITLIT00GUAV图38平均电流控制时的电感电流波形33单相APFC系统的技术分类目前应用和研究较为广泛的APFC技术有两级APFC技术和单级APFC技术。随着APFC技术应用的普及，APFC电路拓扑日渐成熟，关于APFC控制系统的研究目前仍然十分活跃。对BOOST型APFC的前置级而言，研究的热点主要有两个一是功率级的进一步完善；二是APFC控制电路的简化。331两级APFC目前文献上研究的两级APFC技术一般是指BOOST型APFC的前置级和后随的DC/DC功率变换级，它们各自都有自己的开关器件和控制电路，如图39所示。前级的BOOSTAPFC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，提高功率因数。DC/DC级主要用来实现输出电压的快速调节。APFC整流器DC/DCAPFC控制器DC/DC控制器输入图39两极APFC变换器方框图332单级APFC在20世纪90年代初，美国科罗拉多大学的ERICKSON教授等将前置级BOOST电路和后级FLYBACK（反激）变换器或者FORWARD（正激）变换器的开关管公用，提出了单级APFC变换器12。单级APFC的原理框图如图310所示。同传统的两级APFC相比，单级APFC只有一个开关管和一套控制电路，同时实现输入电流的正弦化和对输出电压的调节。由于控制电路主要用来调节输出电压，因此输入电流正弦化的程度就差些，但电路要比两级式简单很多。研究单级APFC技术的目的就是为了减少元件数量、降低成本、提高效率和简化控制等。总的来说，单级APFC技术的性能（THD和PF）比无源PFC技术要好，但不如两级APFC技术。APFCANDDC/DC整流器控制器交流输入图310单级APFC变换器方框图34APFC的研究现状及发展趋势近年来，各国学者对有源功率因数校正技术的研究主要集中在对BOOST拓扑结构的前置级上，研究热点主要有这样三个13141设法降低MOSFET的开关损耗解决MOSFET通断损耗过大可以用两种方法,一是无源软开关，利用电感、电容等元件合理地布置在电路中来实现器件的软开关，该方法的优点是不需要额外的有源开关以及相应的检测、控制和驱动电路，不需要复杂的时序控制；缺点是对环境参数的依赖性较大。二是有源软开关，采用附加的辅助开关管和一些电容电感，通过控制主开关管和辅助开关管的通断时序来实现。这种方法需要额外的辅助开关管及其相应的控制驱动电路，增加了电路的复杂性，而且时序控制复杂；但是控制灵活，可以很好地适应负载电流变化，同时还可以降低电路中开关元件的应力。按照控制方式来分，软开关技术分为谐振类软开关技术和PWM软开关技术。谐振类软开关技术属于变频控制，控制方式较复杂，对负载和电源的变化较敏感，适应性较差；PWM软开关技术属于恒定频率控制，综合了PWM技术和谐振开关技术各自的优点，当负载或输入电压变化时，只需改变它的占空比即可保持其输出电压不变，具有较理想的特性。谐振软开关技术又分为准谐振软开关和多谐振软开关。PWM软开关变换器可以分为ZCSPWM，ZVSPWM零开关变换器和ZCS、ZVS零转换变换器。2提高系统的动态响应和抗干扰能力APFC变换器本身是一个强非线性、周期时变的动态系统，采用传统的PID控制难以达到令人满意的效果，智能控制可以利用其非线性、变结构、自寻优等优点来提高APFC系统的动态响应和抗干扰能力。传统的APFC电路通常用专用的功率因数校正控制芯片来实现，以UNITRODE公司的UC3854为代表，采用模拟控制的APFC电路可以达到良好的控制效果，但电路的适应性不强，容易受到噪声干扰，外围电路复杂，调试麻烦，因此有被数字电路代替的趋势。3简化控制结构，引入新型的非线性控制目前大多数对电感电流的控制还是采用平均电流法，但许多新颖的控制方法也已经出现，这些控制技术使电路的复杂程度大大降低，可靠性增强。传统CCM模式下电流控制需要乘法器以及检测输入电压与输入电流，控制电路复杂，乘法器的非线性失真也增加了输入电流的谐波含量，因此，不带乘法器的控制方式成为APFC研究中的一个热点。4基于UC3854的BOOST型APFC的原理与设计41BOOST型APFC的基本工作原理上一章以综述的方式阐述了APFC电路的基本构造及其分类，对于APFC的主电路，由于BOOST型变换器具有电感电流连续，电磁干扰小，电流波形失真小，输出功率大等优点，选用BOOST型变换器，在诸多常用的电流控制实现方法中，本文选用电感电流连续模式中的平均电流法15。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，本章在前人的理论基础上实现了这一功能。平均电流控制的BOOST型APFC原理图如图41所示。QC0L1/KIDACCSINIAVTD1D2D3D4RSRCRGLC/APWMZXYBVINEAESCR1R2RETV驱动ZL图41平均电流控制的典型APFC原理框图在图41中，下面是控制电路，上面是主电路。主电路为BOOST拓扑，功率开关管以高频PWM方式工作。根据开关管的导通与关断的不同，变换器的工作分两个阶段，开关管导通时，电源电压全部加到电感L上，线性增大，二极管ID截止，负载电阻R靠滤波电容C上的电能维持工作，如图42A所示；开关管关断时，电源电压和电感电动势串联起来向负载电阻R供电，同时滤波电容C充电，如图42B所示。因此，BOOST型DC/DC变换器的输入电流就是电感电流的平LI均值。由电压环控制器，乘法器，电流环控制器，以及驱动电路组成了APFC控制电路，其中电压环控制器和乘法器构成电压外环；电流环控制器和驱动电路构成电流内环。可见，图41所示的APFC控制电路是一个电压和电流双闭环控制系统。CLACD1D2D3D4REMI滤波INUCLIDACD1D2D3D4REMI滤波INUA导通状态B）关断状态图42BOOST升压电路等效电路图控制电路中，输出电压代经取样后与参考电压比较，得到误差电压，0VREFV误差电压经电压环调节后，与全桥整流后的输出电压经乘法器相乘，其乘积作DU为基准电流信号。乘法器的作用就在于使基准电流波形能够与整流后的电压REFI半波正弦信号一致。因此，基准电流实时地跟随整流输出电压（为半波正弦信号）而变化。基准电流信号通过电流检测与变换获得的电感电流取样信号相比较，REFLI误差送入电流调节器。然后送入驱动电路，产生开关管通断所需的PWM控制信号。因此，控制信号是随着整流输出正弦电压的瞬时值而周期性变化，即每个周期内功率开关管的导通时间受控于主电路电流的变化。这样，电流环调节器的输出直接控制了PWM调制器的占空比，强迫电感电流迫近其平均值。可见，通LI过改变功率开关管的驱动信号的脉宽，调节每个周期内的电流平均值，可使流过升压电感L的电流与工频正弦电压成正比且同位，从而实现了有源功率因数校正。从控制理论的角度而言，电流环实际上是一个二阶无差系统，它可以无差地跟踪正弦波输入函数，从而使电流调节器的输出电流无差地跟踪主电路的电流，这正是较其他控制模式的先进之处16。42UC3854的结构与功能421UC3854的内部结构UC3854是一种专门用于功率因数校正的控制器17。它包含了平均电流型控制所需的全部功能，其特点是控制升压PWM变换器的输入端功率因数达到099；限制电网电流失真小于5；采用平均电流型控制；电流放大器的频带较宽等。它内部包含有电压误差放