【正文】 link 仿真模型，并得出其仿真結(jié)果。 Boost converter。 1955 年美國科學(xué)家羅耶首先研制成功了自激振蕩的晶體管直流變換器，此后，世界各地利用這一技術(shù)的各種形式的晶體管自激振蕩直流變換器不斷被研制出來。 自 80 年代起，高頻化和軟開關(guān)技術(shù)以及各種電力電子集成技術(shù)的開發(fā)研究，使開關(guān)電源的性能得到進(jìn)一步提升、重量得到降低、尺寸也將變得更小。到 80 年代末，計(jì)算機(jī)全面實(shí)現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計(jì)算機(jī)的電源換代。功率因數(shù)校正又被重新提起，并 迅速發(fā)展起來，各種帶有功率因數(shù)校正的開關(guān)電源不斷出現(xiàn)。早期的功率因數(shù)校正采用大容量的電感器和電容器等無源器件構(gòu)成無源網(wǎng)絡(luò)對(duì)電路進(jìn)行功率因數(shù)校正，即我們常說的無源功率因數(shù)校正技 術(shù) (PassivePowerFactoreorrection， PPFe)。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。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。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 。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。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)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 ＝ 。而不要將能量重新反饋回輸入電網(wǎng)中去。 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。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。 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。 （ 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 。 （ 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)。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)。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。 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。 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。 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)。 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。恒頻控制時(shí)開關(guān)周期恒定，電感電流不連續(xù)。 輸出電壓與輸入電壓峰值的比值越大，輸入電流畸變程度越小。 當(dāng)占空比和開關(guān)頻率固定時(shí)，輸入電流的平均值正比于輸入電壓，因此不再需要電流控制環(huán)輸入電流的平均值就能自動(dòng)跟蹤輸入電壓呈正弦波形。開關(guān)不僅要導(dǎo)通較大的通態(tài)電流，而且將關(guān)斷更大的峰值電流并引起很大的關(guān)斷損耗，使開關(guān)的使用壽命降低，同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重電磁干擾， DCM 模式可以采用恒頻控制、變頻控制、等面積控制等控制方法，這種工作模式的 APFC 一般功率小于 200W。 有源功率因數(shù)校正技術(shù)的控制策略 按照測量控制輸入電流方法的不同， APFC 可以有多種控制策略，在電流連續(xù)情況下，經(jīng)典控制策略中又主要有三種基本的控制方式：峰值電流控制，滯環(huán)電流控制，和平均電流控制 [5][6]。輸入電壓信號(hào)和輸出電壓的反饋信號(hào)相乘，形成一個(gè)與輸入電壓同頻同相的電流控制參考信號(hào)（基準(zhǔn)電流環(huán)信號(hào)）。因此在 PFC 電路中，這種控制方法 已經(jīng) 逐漸趨于淘汰。因此在 PFC 電路中，這種控制方法 已經(jīng) 逐漸趨于淘汰。電感電流的檢測信號(hào)需要和兩個(gè) 基準(zhǔn) 電流環(huán)信號(hào)相比較來產(chǎn)生對(duì)功率開關(guān)管的控制信號(hào)，其控制步驟為 ： 當(dāng)功率管 S 導(dǎo)通，電感 L 充電時(shí)，電感電流的檢測信號(hào)和上限基準(zhǔn)電流環(huán)信號(hào)相比較，當(dāng)電感電流上升到上限基準(zhǔn)信號(hào)值時(shí)，觸發(fā)邏輯控制部分使功率管 S 關(guān)斷，電感開始放電 ； 當(dāng)電感電流下降到下限基準(zhǔn)信號(hào)值時(shí)，觸發(fā)邏輯控制部分使功率管 S 導(dǎo)通，電感 L 重新充電。 圖 26 滯環(huán)電流控制時(shí)電感電流波形圖 圖 26 滯環(huán)電流控制時(shí)電感電流波形圖 滯環(huán)電流控制法對(duì) Boost 型 PFC 電路而言是一種較為簡單的控制方式，由于控制中沒有外加的調(diào)制信號(hào)，電流的反饋和調(diào)制集于一身，因而可以獲得很寬的電流頻帶寬度，電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，具有內(nèi)在的電流限制能力等優(yōu)點(diǎn)。輸入電流被直接檢測，與基準(zhǔn)電流比較后，其高頻分 量的變化，通過電流誤差放大器被平均化處理。 表 21 為這三種控制方法的基本特點(diǎn)，通過對(duì)比三種控制方式的優(yōu)缺點(diǎn)來選擇合適的控制方式。本章首先來分析平均電流控制 Boost 型 APFC 電路的工作原理，然后在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行小信號(hào)建模。 APFC電路同時(shí)具有整流和穩(wěn)壓功能，即整流要求輸入功率因數(shù)為 1， 穩(wěn)壓要求輸出電壓穩(wěn)定。主電路由單相橋式整流器和 DC/DC變換器組成，控制電路包括基準(zhǔn)電壓 refV 及電壓誤差放大器 VA、 乘法器 M、 電流誤差放大器 CA、 脈寬調(diào)制器和驅(qū)動(dòng)器等組成，負(fù)載可以是一個(gè)開關(guān)電源。 輸入電 壓檢測 輸入電 流檢測 乘法器 + 輸出電 壓檢測 驅(qū)動(dòng) + Vref CA VA 負(fù)載 C R VD S Vi ~ Vo L 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 17 現(xiàn)介紹 Boost 型功率因數(shù)校正電路的基本原理 [9]。 有源功率因數(shù)電路 的參數(shù)設(shè)計(jì) 本 文 所 研究的單相 Boost 有源功率因數(shù)校正器，其技術(shù)指標(biāo)如下： 輸入交流電壓 Vin： 80~270V 輸入頻率： 50Hz 輸出直流電壓 V0： 400V 開關(guān)頻率 f5： 100KHz 輸出功率 p： 500W 功率因數(shù) PF： 主電路設(shè)計(jì) 1． 升壓電感 電感器在線路中起著能量的傳遞、儲(chǔ)存和濾波等作用，并決定了輸入端的高頻紋波電流總量，因此按照限制電流脈動(dòng)最小的原則來確定電感值。 2． 輸出電容 本設(shè)計(jì)以滿足維持時(shí)間要求為準(zhǔn)則。 3． 電流取樣電阻 通常有兩種電流傳感檢測方法，即在變換器接地線返回端串聯(lián)一個(gè)取樣電阻來檢測輸入電流或用兩個(gè)電流互感器。電流取樣電阻 上的電壓的典型值為 。電壓考慮 1. 2 倍的安全裕量，電流考慮 1. 5 倍的安全裕量，則 控制電路的設(shè)計(jì) （ 1）電流調(diào)節(jié)器的建模 電流控制環(huán)由電流誤差放大器、 PWM 比較器和功率級(jí)組成，電流環(huán)的結(jié)構(gòu)圖如圖 32 所示。 UC3854 中的 為 。則誤差放大器的增益為：。 3． 電壓 調(diào)節(jié)器 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)設(shè)計(jì) （ 1）輸出紋波電壓 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 23 主電路的輸出紋波電壓由下式給定，式中 Rf 是二次諧波紋波頻率 [13]： （ 2） 放大器的輸出紋波電壓和增益 為了使 減小到電壓誤差放大器輸出所允許的紋波電壓，應(yīng)按如下關(guān)系設(shè)置電壓誤差放大器在二次諧波頻率點(diǎn)上的增益值： (39) 按規(guī)定取交流輸入電流的三次諧波為 3%， 電壓誤差放大器輸出端 占 %，且 該 端 口 的 電 位 對(duì) 于 UC3854 而 言 ， ， 故。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 25 第 4 章 APFC 電路的仿真分析 MATLAB 簡介 MATLAB 是一 種以矩陣為基礎(chǔ)的交互式程序計(jì)算語一言。Simulink 是一中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模仿真和分析的集成軟件包，包含了線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的仿真。 為了驗(yàn)證第三章所設(shè)計(jì) APFC 電路對(duì)電流的校正效果 ，本文采用 平臺(tái)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。被廣泛應(yīng)用于包括信號(hào)處理與圖象處理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、財(cái)務(wù)、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域。形成了一系列規(guī)模龐大、覆蓋面極廣的工具箱，包含了控制理論、電力系統(tǒng)、信號(hào)處理等大量現(xiàn)代工程技術(shù)學(xué)科。只需將模塊中的元件拖到 Simulink 窗口中， 通過參數(shù)設(shè)置對(duì)話框設(shè)置參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)電力電子電路的仿真。為了確定開關(guān)管和二極管的工作狀態(tài)，引入二進(jìn)制變量 A，當(dāng)開關(guān) S導(dǎo)通時(shí)， A=1；當(dāng)開關(guān) S 截止時(shí)， A=0。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 28 圖 42 Boost 主電路的 Simulink 模型 主電路仿真結(jié)果 圖 43 D= 時(shí)的控制波形 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 29 圖 44 電感電流波形 圖 45 電容兩端電壓啟動(dòng)波形 圖 46 電容兩端電壓穩(wěn)態(tài)波形 仿真參數(shù)取電感 L=，電容 C=，負(fù)載電阻 R=100? 。 Boost 型 APFC 電路的仿真 APFC 電路仿真模型 圖 47 Boost 型 APFC 的仿真模型 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 31 圖 48 Universal Bridge 子系統(tǒng)圖 圖 49 Subsystem 子系統(tǒng)圖 根據(jù)第三章 對(duì)主功率電路和控制電路的分析與計(jì)算可知，乘 法器和電壓、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)是整個(gè) APFC 電路的核心部分 ， 整體的仿真框圖如圖 48 所示，APFC 的主功率電路是基于 Boost 型升壓電路設(shè)計(jì)的 ， UC3854 包含了乘法器和電壓、電流環(huán)調(diào)節(jié)器等， UC3854 的輸出用來驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET，通過改變其占空比來強(qiáng)迫輸入電流跟蹤輸入電壓，達(dá)到單位功率因數(shù)輸入的目的。對(duì)功率因數(shù)校正前后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真 。其中，上面波形為變換器輸入電壓波形，即交流輸入電壓經(jīng)全波整流的輸出電壓。 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 33 圖 412 加 APFC 整流后輸入電壓、電流波形 圖 413 未加 APFC 時(shí)輸入功率因數(shù)波形 圖 414 加 APFC 后的輸入功率因數(shù)波形 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 34 圖 415 未加 APFC 時(shí)的輸入電流的總諧波畸變 圖 416 加 APFC 后的輸入電流總諧波畸變 圖 417 加 APFC 后的輸出電壓波形 將圖 413 與圖 414 比較，明顯可看出功率因數(shù)校正前后系統(tǒng)輸入功率因數(shù)平均值約由 提高到 左右 。為此，人們提出了許多 Boost PFC 主電路的改進(jìn)方案 [17]。 圖 421 加入電感后輸入電壓、電流波形 圖 422 未加三點(diǎn)式電感時(shí)的總畸變率波形 東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 38 圖 423 加入三點(diǎn)式電感后的總畸變率波形 圖 424 未加 三點(diǎn)式電感整流后輸入電壓、電流 的波形 圖 425 加入三點(diǎn)式電感整流后輸入電壓、電流的波形 將圖 422 與圖 423 比較，明顯可看出 輸入電流的畸變率降低了，從 降低東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 39 到 。 本章小結(jié) 本章主要介紹了 Boost 主電路 和 APFC 系統(tǒng)的仿真模型，并對(duì)其波形進(jìn)行了分析，仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文的設(shè)計(jì)符合功率因數(shù)校正的要求，其仿真模型的建立是正確的。 （ 2）搭建了 APFC 的 Simulink 仿真模型，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正的目的，同時(shí)也滿足了課題的要求，驗(yàn)證了本次設(shè)計(jì)的正確性。 Application Handbook， 1995： 8596 [12] 楊自厚 ． 自動(dòng)控制原理 [M]． 北京 ： 冶金工業(yè)出版社 ． 1994 [13] 胡壽松 ． 自動(dòng)控制原理 （第