【正文】 Frequency0Hz I(V1)0A20mA40mA 圖 輸入電流波形 圖 輸入電流諧波分布 2 2 0 V / 5 0 H zB Y T 1 2 P 1 0 0 0Ld1 0 HCd 11 0 0 pC1 01 0 181。但這一技術(shù)所需電感值較大，電路笨重，而且輸入電流波形的質(zhì)量仍然不高，也不能保證任意輸入電壓都能達(dá)到高功率因數(shù)。用 OrCAD PSpice A/D 仿真工具進(jìn)行仿真 ， 可得出圖 輸入電流波形和圖 輸入電流諧 波分布。 1 無源 PFC 技術(shù) 這 一 技術(shù)是在整流器和電容之間串入一個濾波電感，通過 LC 濾波器來消除高次諧波以提高功率因數(shù) ， 如圖 所示。無源功率因數(shù)校正可分為 LC 濾波法和電容二極管構(gòu)成的填谷校正法。 功率因數(shù)校正器的主要缺點是： ① 電路復(fù)雜，成本高； ② EMI 高，效率下 降。 功率因數(shù)校正技術(shù)是解決電力電子裝置造成的諧波污染和電磁干擾的有效解決方案，它能改善電網(wǎng)供電質(zhì)量，減少供電中的損耗，保證精密電子儀器和安全裝置的正常工作，符合“綠色能源”的發(fā)展方向。 由于諧波的危害日益嚴(yán)重，世界各國都對諧波問題予以足夠的重視。 （ 4） 諧波成分會導(dǎo)致一些重要的控制、保護(hù)和測量裝置誤動作。 （ 2） 諧 波成分增加了輸電、配電和用電系統(tǒng)中的損耗?？梢?，一般 AC/DC 電路功率因數(shù)是較低的，遠(yuǎn)未有達(dá)到相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。則又有： 21 11THDII ?? （ 18）根據(jù)圖 估算一般 AC/DC 電路的功率因數(shù)，可得數(shù)據(jù)如表 所示。 要研究 AC/DC 變換電路中輸入功率因數(shù)與諧波的關(guān)系，還要引入一個概念，就是“總諧波畸變” (Total Harmonics Distortion)，簡稱 THD。則功率因數(shù)可表示為： IIUIUIPF ?? c o sc o s 11 ?? （ 15） 故式 （ 11） 定義的 功率因數(shù)可由下式確定： ?cos1IIPF ? （ 16）式中， I1/I 為基波電流有效值和總電流有效值之比，稱為基波因數(shù)，而 cosф 稱為位移因數(shù)或基波功率因數(shù)。輸入電流有效值 I 為： ?? ????? 22221 nIIII （ 14）式中， I1， I2， ? ， In 分別為電流基波分量、二次諧波、 ? 、 n 次諧波電流的有效值。 F / 4 0 0 V1 . 5 kCdUd+ 圖 簡單的電容濾波 AC/DC 變換電路 江 蘇 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 論 文 5 ?cos1UIP ? （ 12） S 為視在功率，即端口電壓、電流有效值的乘積： UIS? （ 13）式（ 12）和式（ 13）中， U、 I 分別為 u、 i 的有效值， 1I 為電流基波分量， ф為基波電流與輸入電壓 U 的相位差， u 為輸入電壓的瞬時值， i 為輸入電 流的瞬時值。由此產(chǎn)生的諧波電流對電網(wǎng)污染嚴(yán)重而且使輸入端功率因數(shù)下降，導(dǎo)致無功 功率增大 [1]。利用OrCAD PSpiceA/D 仿真工具可得出輸入電流波形和電流諧波分布圖，分別如圖 和 所示。在圖中，可選模型為：整流二極管為 D1N4007，電解電容 Cd 為 80181。 因此，克服開關(guān)電源產(chǎn)生的各種噪聲干擾，是開關(guān)電源面臨的第三個問題。進(jìn)一步研 究并 生產(chǎn)出適合高頻工作的開關(guān)管、高頻電容 器 、變壓器、儲能電感和高頻整流二極管等元器件，是開關(guān)電源面臨的第二個問題。 提高開關(guān)穩(wěn)壓電源的效率就 是 要提高其工作頻率。 目前面臨的問題 隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，集成度高、功能強(qiáng)的大規(guī)模集成電路不斷出現(xiàn)，使得電子設(shè)備的體積和重量不斷下降，這勢必要求體積更小、重量更輕、效率更高的開關(guān)穩(wěn)壓電源來滿足電子設(shè)備的日益微小型化。由于我國半導(dǎo)體技術(shù)和加工工藝還落后于西方發(fā)達(dá)國家， 致使我國自行 研制的開關(guān)電源中 有 許多重要器件還 依賴 進(jìn)口。 雖然我國科技人員在開關(guān)電源研制方面取得了長足 的進(jìn) 展，但與發(fā)達(dá)國家 相比， 仍存在 著 較大差距，尤其是開關(guān)電源 PWM 控制芯片， 因為 現(xiàn)有開關(guān)電源 所 用的 PWM 芯片幾乎全部來自于國外。 90 年代后，隨著國外控制芯片的發(fā)展和引進(jìn)， 200kHz 以上工作頻率的開關(guān)電源研制也逐步走向成熟， 并在許多領(lǐng)域替代了工作頻率較 低的開關(guān)電源。近 10 多年來，許多研究機(jī)構(gòu)、高校和工廠研制出多種類型的開關(guān)電源，并廣泛用于電子計算機(jī)、通訊和彩色電視機(jī)等領(lǐng)域，效果較好。 不難看出，開關(guān)電源的發(fā)展是與當(dāng)今經(jīng)濟(jì)社會發(fā)展對科學(xué)技術(shù)的要求分不開的，開關(guān)電源的高效性適應(yīng)了當(dāng)今能源問題嚴(yán)峻的狀況；它的高頻化適應(yīng)了現(xiàn)代化裝置和設(shè)備對電源輕、薄、短、小的嚴(yán)格要求；它的控制器高度集成化，適應(yīng)江 蘇 大 學(xué) 本 科 畢 業(yè) 論 文 3 了任何電控設(shè)備對電源的高可 靠性要求。從而使電源的體積和重量大為減小，效率提高。 開關(guān)電源發(fā)展概況 發(fā)展簡史 20 世紀(jì) 50 年代末期，美國科學(xué)家羅耶（ ）首先發(fā)明了利用磁芯的飽和來進(jìn)行自激振蕩的晶體管直流變換器，為線性電源向開關(guān)電源轉(zhuǎn)化奠定了理論基礎(chǔ)。 開關(guān)電源也存在一些缺點：① 較為嚴(yán)重的電磁干擾。為了達(dá)到穩(wěn)定度較高的直流電壓，對輸出電壓取樣和基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較放大后，再反饋到脈寬調(diào)制器，而后經(jīng)脈寬調(diào)制器輸出合適占空比或頻率的驅(qū)動信號來調(diào)整功率管的開關(guān)，以達(dá)到輸出電壓的穩(wěn)定。開關(guān)電源的核心是一個直流變換器，可以把一種直流電壓變換成多種性能不同的直流電壓。 開關(guān)電源 開關(guān)電源 (SPS， Switching Power Supply)是功率管工作在開關(guān)狀態(tài)的穩(wěn)壓電源。 線性電源的優(yōu)點是：① 電壓穩(wěn)定度及負(fù)載穩(wěn)定度高；② 輸出紋波電壓很小；③ 電路瞬態(tài)響應(yīng)速度快；④ 電路結(jié)構(gòu)簡單，故障率低，便于 維修；⑤ 由于功率管工作在放大區(qū)，非開關(guān)狀態(tài)，故沒有工作頻率，因此沒有高頻開關(guān)干擾。 線性電源和開關(guān)電源的對比 按功率管的工作方式劃分，直流電源主要分為兩類：線性電源和開關(guān)電源，線性電源中的功率管工作在線性放大區(qū) ,開關(guān)電源則是在線性電源的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，其功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，在很大程度上克服了線性電源的缺點，但其自身也有一定的不足。文末還明確了下一步工作的重點。最后為降低電磁干擾 (Electromagic Interference， EMI)設(shè)計出 開關(guān)電源電路 輸入端 的 EMI 濾波電路。 本文首先闡述了開關(guān)電源、功率因數(shù)校 正技術(shù)和同步整流技術(shù)的發(fā)展及現(xiàn)狀，對 DC/DC變換的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了選擇，確定了帶有隔離的準(zhǔn)諧振 (QuasiResonant)反激型電路，可以有效地降低損耗；接著本文對幾種常見的 PFC 拓?fù)潆娐愤M(jìn)行分析對比，從中選擇了 BOOST 型電路，對工作在臨界狀況下的電路進(jìn)行了分析，采用跟隨輸入電壓的升壓變換新技術(shù)，減小了電感體積，同時降低了開關(guān)管的電壓應(yīng)力，既簡單又有效地實現(xiàn)了功率因數(shù)校正，并發(fā)現(xiàn)此技術(shù)值得推廣；由于反激型變換器的效率一般都較低，所以本文在傳統(tǒng)同步整流技術(shù)基礎(chǔ)上對其加以改進(jìn)，設(shè)計出一種新穎、高效的同步整 流方案。 J I A N G S U U N I V E R S I T Y 本 科 畢 業(yè) 論 文 一種高功率因素開關(guān)電源的研究與設(shè)計 Research and Design of A Switching Power Supply With High Power Factor 學(xué)院名稱： 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師姓名： 指導(dǎo) 教師職稱： 講師 2021 年 6 月 II 一種高功率因素開關(guān)電源的研究與設(shè)計 專業(yè)班級： 學(xué)生姓名： 指導(dǎo)教師： 職稱：講師 摘 要 隨著人們對電源質(zhì)量的更高要求，高效型、小體積和低污染的開關(guān)電源已成為研發(fā)的主流技術(shù) 。本文將 PFC 技術(shù)、準(zhǔn)諧振 DC/DC 變換與同步整流技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計出一款低磁污染的開關(guān)電源，既保證了較高的功率因數(shù)，改善了對電網(wǎng)的影響，又能保證高效率，且控制簡單，可靠實用，因而具有一定的應(yīng)用價值。對于寬電壓范圍啟動過沖問題，本位設(shè)計出一種防止過沖的啟動控制電路。 文中對部分電路用 OrCAD Pspice A/D 仿真軟件進(jìn)行了仿真，選取了元器件，制作樣機(jī)進(jìn)行了硬件調(diào)試，分析試驗數(shù)據(jù)并與仿真波形對比，實驗結(jié)果令人滿意，實現(xiàn)了高功率因數(shù)，整機(jī)效率明顯提高，因此本文設(shè)計的開關(guān)電源電路有較高的推廣應(yīng)用價值。 關(guān)鍵詞： 開關(guān)電源；功率因數(shù)校正；同步整 流；仿真實驗 III Research and Design of A Switching Power Supply With High Power Factor ABSTRACT With people’s more demand for quality of power, the power supply with high efficiency, little bulk and low contamination have became mainstream of research and development. This paper attempts to associate PFC technology with QuasiResonant DC/DC Converter and Synchronous Rectifier technology, to work out a novel switching power supply with higher efficiency and low contamination, which both achieved high power factor, improved effecting on electrical work and ensured high efficiency. Furthermore, it is easy to be realized and controlled in circuit, therefore it has great value of application. Firstly, future development of switching power supply, power factor correcting and synchronous rectifier technology is described, and isolation of QuasiResonant Flyback Converter is selected from several topology of DC/DC, which may reduces power loss effectively. Next several mon topology of PFC are contrasted with their performance, and BOOST circuit elected is analyzed with operating in critical mode, which adopts new technology of output voltage following along with changing of input, not only can bulk of inductance lessen, but also can voltage stress of switching tube decrease, and reaches power factor correcting easily and effectively, this technology should be extended. Because efficiency of Flyback Converter is lower monly, so this paper improves on technology of mon Synchronous Rectifier and schemes out a new high efficiency scheme of Synchronous Rectifier.