【正文】 PassivePowerFactoreorrection， PPFe)。它難以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù) PF=1，一般可提高到 ~ 左右，同時(shí)輸入諧波電流的抑制效果也不是很好。目前該技術(shù)主要應(yīng)用于功率小于 300W、對(duì)體積和 重 量要求不高的場合。隨之填谷 (vaneyFill)式的無源 PFC 電路的出現(xiàn)給功率因數(shù)的提高又帶來了一絲曙光，它利用二極管和電容的串并聯(lián)切換來增大二極管的導(dǎo)通角，可以使功率因數(shù)達(dá)到 以上。但這些前期的無源 PFC 技術(shù)只能是對(duì)某些指定的諧波進(jìn)行抑制和補(bǔ)償，而且它的體積和重量都很大。 由于無源 PFC 技術(shù)發(fā)展的局限性，人們加快了對(duì)功率半導(dǎo)體器件的研究，隨著開關(guān)變換技術(shù)突飛猛進(jìn)，到 50 年代，有源功率因數(shù)校正技術(shù) 的 誕生，它是在整流橋和 DC/DC 變換之間添加一個(gè)變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)使輸入端電流波形跟蹤輸入端電壓正弦波形，功率因數(shù)可提高到 以上 。 進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，功率因數(shù)校正技術(shù)的研究重點(diǎn)集中在 ： 新拓?fù)涞奶岢觥④涢_關(guān)技術(shù)、單級(jí) PFC變換器的研究以及新的控制方法的提出和無橋式整流的 PFC。 論文研究的目的和意義 電源是工業(yè)動(dòng)力和人類生活之源，任何電子設(shè)備的可靠運(yùn)行都離不開電源，這就決定了電源 在電子設(shè)備中的重要性。隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展，作為電源中重要組成的開關(guān)電源己廣泛應(yīng)用到人們的日常生活和工作中，成為不可缺少的一部分。 高頻化是實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源小型化的一種最重要的途徑，己成為發(fā)展的重要趨勢，其技術(shù)難點(diǎn)是必須在輕、小、薄和高開關(guān)頻率的前提下保證高效率和高穩(wěn)定性運(yùn)行，并使電磁干擾和諧波干擾最小。因此，高頻化是開關(guān)電源的發(fā)展方向，但是高頻化后產(chǎn)生的許多問題必須得到解決。 隨著開關(guān)頻率的提高，電源中的分布電感、電容和功率開關(guān)管中存儲(chǔ)電荷所產(chǎn)生浪涌或噪聲就會(huì)越來越多，使得電磁干擾現(xiàn)象越來越嚴(yán)重，這樣開 關(guān)電源即使體積跟成本減少了，本身性能的大幅度降低也會(huì)限制開關(guān)電源的發(fā)展。目前，市場上頻率為幾百 kHz 甚至幾 MHz 左右的開關(guān)電源己經(jīng)開始實(shí)用化，但其一般直接與 220V 市電相連，經(jīng)輸入整流濾波后供給系統(tǒng)使用，在這個(gè) AC/DC 轉(zhuǎn)換過程中，雖然輸入的交流市電波形是正弦的，但輸入的電流卻含有大量諧波電流分量，發(fā)生了嚴(yán)重畸變，功率因數(shù)很低，對(duì)電能造成了嚴(yán)重的浪費(fèi) ； 同時(shí)這些諧波分量還會(huì)反饋回市電電網(wǎng)中，使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變 。干擾其內(nèi)部設(shè)備或通過電磁波形式輻射影響到外部設(shè)備。因此諧波抑制和功率因數(shù)提高已成為開關(guān)電源研究領(lǐng)東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 域所 面臨的一個(gè)重大課題，正在受到越來越多的關(guān)注。 功率因數(shù)校正技術(shù)作為開關(guān)電源中抑制諧波電流和提高功率因數(shù)的一門新興技術(shù)，它的作用和重要性已得到人們的廣泛認(rèn)可。進(jìn)入二十一世紀(jì)，功率因數(shù)校正技術(shù)的研究方日漸興盛，特別是在我國，但相對(duì)于這方面的要求和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還不健全。 對(duì)于消費(fèi)者來說，功率因數(shù)校正產(chǎn)生的效益并不是立竿見影的，因此增加成本對(duì)他們來說是一件很難接受的事情。從長遠(yuǎn)來看，雖然附加功率因數(shù)校正電路會(huì)給開關(guān)電源的成本增加約 20~30%，但它所能產(chǎn)生的節(jié)能效益將顯著超過前期投資。正因?yàn)槿绱?，世界上許多國家要求在 其國內(nèi)新流通的開關(guān)電源產(chǎn)品中增加功率因數(shù)校正這一環(huán)節(jié)。在科學(xué)技術(shù)飛速發(fā)展的今天，隨著社會(huì)的進(jìn)步和人民生活水平的提高，對(duì)電能質(zhì)量的要求也越來越高，高性能、低成本的功率因數(shù)校正技術(shù)具有極大的市場潛力和應(yīng)用前景。 功率因數(shù) 的定義以及 校正方法 功率因數(shù)的定義 功率因數(shù) PF 定義為：功率因數(shù)（ PF）是指交流輸入有功功率（ P）與輸入視在功率（ S）的比值。 (11) 式中： ：基波因數(shù)，即基波電流有效值 I1 與電網(wǎng)電流有效值 IR 之比。 ：電網(wǎng)電流有效值 ：基波電流有效值 ：電網(wǎng)電壓有效值 ：基波電流與基波電壓的位移因數(shù) γ 稱為畸變因數(shù)，它表示了基波電流有效值在總的輸入電流有效值中所占的比例 ； 稱為位移因數(shù)，它反映了輸入電流與輸入電壓之間的相位差。功率因數(shù)是畸變因數(shù)和位移因數(shù)的乘積，在線性電路中，無諧波電流，電網(wǎng)電流有效值東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 與基波電流有效值 相等，基波因數(shù) =1，所以 PF＝ ＝ 1 ＝ 。如果整流橋后面沒有并聯(lián)蓄能電容，而直接是 接上一個(gè)純阻性的負(fù)載，那么很顯然，電壓和電流之間的相位差為零，功率因數(shù)為 1。因此功率因數(shù)校正技術(shù)的本質(zhì)，是要使用電設(shè)備的輸入端對(duì)輸入電網(wǎng)呈現(xiàn)“純阻性”，也就是要使輸入電流 和輸入電壓之間成正比，且相位差為零。另一方面，從能量傳輸?shù)慕嵌葋碇v，功率因數(shù)校正技術(shù)就是要使用電設(shè)備的輸入端只能從輸入電網(wǎng)汲取能量。而不要將能量重新反饋回輸入電網(wǎng)中去。 當(dāng)線性電路且為純電阻性負(fù)載時(shí)， PF＝ γ ＝1[2]。 功率因數(shù)校正的方法 (l)無源 PFC 技術(shù) :采用體積龐大的電感和電容來提高功率因數(shù)，不 過它很難實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)等于 1，目前還被應(yīng)用到重量體積不受限制的小型設(shè)備。 這一方法是在整流器和電容之間串聯(lián)一個(gè)濾波電感，或在交流側(cè)接入諧振濾波器。如圖 11所示，它是通過大電感 L1 來展寬輸入電流的導(dǎo)通角，從而實(shí)現(xiàn)提高功率因數(shù)的目的。其主要優(yōu)點(diǎn)是：簡單，成本低，可靠性高， EMI 小；主要 缺 缺點(diǎn)是：尺寸，重量大，難以得到高功率因數(shù)（一般可提高到 左右），工作性能與頻率，負(fù)載變化及輸入電壓變化有關(guān)，電感和電容間有很大的放電電流。 圖 11 無源功率因數(shù)校正電路 (2)有源 PFC 技術(shù) ： 采用有源器件，在 整流部分和負(fù)載之間添加一個(gè) DC/DC變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入端電流波形跟蹤輸入正弦電壓波形，從而使電網(wǎng)輸入端的電流波形逼近正弦波，并與輸入的電網(wǎng)電壓同相位。目前最常用 的是高頻 APFC 技術(shù)，它能使功率因數(shù) 可達(dá)到 ，正被廣泛應(yīng)用于 AC/DC 開關(guān)電源、交流不間斷電源 (UPS)等領(lǐng)域。無源功率因數(shù)校正技術(shù)由于采用大而笨重的電感和電容來改善輸入功率因數(shù)，致使峰值充電效應(yīng)產(chǎn)生的高次諧波電流輻射出東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 去進(jìn)而污染電網(wǎng)，同時(shí)它的體積很大而且功率因數(shù)卻得不到很好的提高。而有源功率因數(shù)校正技術(shù)則通過相應(yīng)的反饋控制電路， 使輸入端電流平均值跟蹤交流輸入正弦電壓波形，可以使輸入電流接近正弦，從而大大提高功率因數(shù)，一般校正后 PF 可提高到 或更高，并且現(xiàn)在采用的有源功率因數(shù)校正技術(shù)的大都是高頻的，因而它的體積更小，基于此本文主要研究高頻有源功率因數(shù)校正的開關(guān)電源。 由于 APFC 技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)正符合開關(guān)電源高頻化，綠色化的發(fā)展趨勢，現(xiàn)在 APFC 技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于 AC/DC 開關(guān)電源，交流不間斷電源 (UPS)及其它電子儀器中。 圖 12 簡化的有源功率因數(shù)校正電路 論文要完成的主要工作 隨著全球能源問題的臨近，開關(guān) 電源產(chǎn)品的耗能問題也變得越來越嚴(yán)重，如何降低這些不必要的損耗已成為一個(gè)函待解決的問題。通過認(rèn)識(shí)得知，在相同的輸入功率下，提高開關(guān)電源的輸出功率主要有兩個(gè)途徑 ， 一是提高開關(guān)電源的效率，二是提高開關(guān)電源的功率因數(shù)。但開關(guān)電源效率的提高難度很大，并且效果也不明顯，因此功率因數(shù)的提高是目前最有效的方法。 本文通過對(duì) APFC 主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的仿真研究，并進(jìn)行了控制方法研究，在此基礎(chǔ)上，研究設(shè)計(jì)了一款帶有 Boost 型有源功率因數(shù)校正的高功率因數(shù)開關(guān)電源，并通過 MATLAB 對(duì)整體系統(tǒng)的仿真研究得到了證實(shí)。 （ 1） 概述功率因 數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展?fàn)顩r及其分類，本課題的 主要工作 。 （ 2） 在論述有源功率因數(shù)校正基本原理的基礎(chǔ)上，對(duì)有源功率因數(shù)校正器幾種主 電路 拓?fù)溥M(jìn)行分析和比較，并總結(jié)各自的優(yōu)缺點(diǎn) ； 對(duì)有源功率因數(shù)校正電路的控制策略進(jìn)行了詳細(xì)的分類闡述，總結(jié)各自的優(yōu)缺點(diǎn)及適合的應(yīng)用場合。通過分析比較確定本文研究的對(duì)象 為 平均電流控制模式的 Boost 型功率因數(shù)校正技術(shù)。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 （ 3） 推導(dǎo)理想 Boost 變換器的狀態(tài)方程 ； 建立了 Boost 變換器的 MATLAB數(shù)學(xué) 模型。 （ 4）設(shè)計(jì)控制電路的參數(shù)，建立電壓誤差放大器和電流誤差放大器的傳遞函數(shù)。 （ 5）建立 Boost 型 APFC 的仿真模型 ，并比較分析系統(tǒng)在功率因數(shù)校正前后的輸入電壓電流波形和輸出電壓波形的變化，結(jié)果驗(yàn)證本文的方法設(shè)計(jì) Boost 型APFC 電路的各參數(shù)可獲得滿意得效果，說明這種設(shè)計(jì)方法的合理性 。 第 2 章 有源功率因數(shù)校正技術(shù)及其控制方法的研究 有源功率因數(shù)校正技術(shù) 基本原理 有源功率因數(shù)校正技術(shù) APFC(Active Power Factor Correction)伴隨著開關(guān)電源變換技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)。早期，功率半導(dǎo)體技術(shù)尚未成熟，有源功率因數(shù)校正電路，大多借助于晶閘管電路來實(shí)現(xiàn)。隨著功率半 導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，各種性能優(yōu)異、價(jià)格便宜的功率開關(guān)器件紛紛出現(xiàn)?，F(xiàn)在只有在大功率場合，才會(huì)使用晶閘管?；诂F(xiàn)代高速半導(dǎo)體開關(guān)器件和控制集成電路的現(xiàn)代高頻功率電子電路，構(gòu)成了現(xiàn)代有源功率因數(shù)校正控制電路的主流。有源功率因數(shù)校正技術(shù)，雖然控制復(fù)雜，但是其所得的功率因數(shù)高，且由于這種方式采用的是開關(guān)電源變換技術(shù)，開關(guān)工作頻率高，因此與無源功率因數(shù)校正相比較，所需要的濾波電容、電感都要小，體積和重量也就小。隨著各種便攜式設(shè)備的風(fēng)行，這種校正方式正成為功率因數(shù)校正的主流。 APFC 電路是在整流器和負(fù)載之間接入一個(gè) DC/DC 開關(guān)變化器，應(yīng)用電壓電流反饋技術(shù)，使輸入端電流波形跟隨輸入正弦電壓波形，從而使輸入電流的波形也接近正弦波，達(dá)到提高功率因數(shù)的目的。由于在此電路中使用了有源器件，所以稱為有源功率因數(shù)校正電路。 其 基 本思想是：交流輸入電壓經(jīng)全波整流后，對(duì)所得的全波整流電壓進(jìn)行DC/DC 變換，通過適當(dāng)控制使輸入電流波形自動(dòng)跟隨全波整流后的電壓波形，使輸入電流正弦化，同時(shí)保持輸出電壓穩(wěn)定， APFC 電路一般都有兩個(gè)反饋控制環(huán)：內(nèi)環(huán)為電流環(huán)，使 DC/DC 變換器的輸入電流與全波整流電壓波形相同；外環(huán)為電壓環(huán)，使 DC/DC 變換器輸出穩(wěn) 定的直流電壓。 整流器 DC/DC 變換器 控制電 路 負(fù)載 交流 輸入 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 圖 21 有源功率因數(shù)校正電路原理 有源功率因數(shù)校正 主電路的選擇 有源功率因數(shù)校正就是在橋式整流電路和輸出電容之間增 DC/DC 變換器，其主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)由儲(chǔ)能電感 L 和高頻功率開關(guān)管構(gòu)成，按電路結(jié)構(gòu)可分為 ： 升壓型、降壓型、升降壓型和 反激 型。 這幾種 PFC 電路的特點(diǎn)如下： 降壓式 PFC：電路只能實(shí)現(xiàn)降壓功能，輸入電流不連續(xù)，因此仙子了變換器的轉(zhuǎn)換功率，另一方面輸入電流紋波較大，濾波困難。在變換器工作時(shí)，開關(guān)管上的應(yīng)力比較大，因此很少用于功率因數(shù)校正電路。 反激式 PFC：輸入 輸出之間隔離，輸出電壓可以任意選擇，屬于簡單電壓型控制器，適應(yīng)于 100W 以下或更小功率的電源。 升降壓式 PFC：需用兩個(gè)電子開關(guān)，電路比較復(fù)雜，因此采用的比較少。 升壓式 PFC：整個(gè)電路工作在一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)，電源的輸入電流始終和電感電流相等，由于輸入電流可以處于連續(xù)狀態(tài)，因此輸入電流的紋波比較小，降低了濾波電路的設(shè)計(jì)要求。電路只能實(shí)現(xiàn)升壓變換，輸出電壓高于輸入電壓峰值，電流允許的輸入電壓范圍擴(kuò)大，通?？?調(diào) 到 90～ 270W，對(duì)市電交流電壓為 100V的國家和地區(qū)特別合適。由于升壓斬波電路的穩(wěn)定作用，整流輸出的電 壓是穩(wěn)定的，有利于后級(jí)工作穩(wěn)定，提高控制精度和效率，升壓式 PFC 控制簡單，適應(yīng)于75～ 2021W 的功率電源，應(yīng)用最為普遍。 由于回掃型和升降壓型都是基于升壓型和降壓型改變研制的，因此本節(jié)主要以升壓型和降壓型為研究的重點(diǎn)。 有源功率因數(shù)校正技術(shù)的工作模式 APFC 電路在通常情況下需要用電壓 電流的雙環(huán)反饋來控制，這在一定的程度上會(huì)使 PFC 電路顯得較為復(fù)雜。 由于 Boost 變換器具有控制容易，輸入電流可以連續(xù)且紋波電流較小等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用 [9]，為了方便敘述，這里主要用 Boost 變換器作 為描東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 述和分析的對(duì)象。 根據(jù)電路輸入電流檢測和控制方式， APFC 電路的工作模式可分成兩種：電感電流連續(xù)（ Continue Current Mode,CCM）和電感電流不連續(xù)工作 (Discontinue Current Mode,DCM)兩大類 [5] 。 不連續(xù)導(dǎo)電控制模式（ DCM）又稱為電壓跟蹤控制 （ Voltagefollower Control）方式，主要有恒頻、變頻方式等，它是 APFC 控制中簡單而實(shí)用的一種控制方式，應(yīng)用較廣。為了獲得理想的穩(wěn)壓輸出，需要輸出電壓閉環(huán)反饋控制環(huán)節(jié)，開關(guān)由輸出電壓誤差信號(hào)控 制。在一個(gè)開關(guān)周期電感電流的平均值正比于輸入電壓，因此輸入電流波形自然跟蹤輸入電壓波形 [6]。 1． 恒頻方式 圖 22 給出了 Boost 電路的 DCM 控制原理圖，電壓調(diào)節(jié)器 E/A 的頻帶寬度取 1020Hz，確保穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出占空比在半個(gè)工頻周期內(nèi)保持不變。恒