单周期控制高功率因数整流器研究

1、摘 要摘 要电力电子的谐波污染已引起世界各国的高度重视，其中，整流器是一个很大的污染源，因为绝大多数直流电源都需要通过交流电源整流来获取。常规整流方法中无论是二极管的不控整流还是晶闸管的相控整流都具有较大的缺点，其中最明显的就是对电网有谐波污染。功率因数校正 (PFC)是治理谐波的一种有效方法。论文阐明了功率因数校正的目的和意义，回顾了高功率因数整流器功率因数校校正器发展过程中出现的各种拓扑结构和控制方案,分析和介绍了各控制方案的优缺点及其应用场合。 大多数的高频功率因数校正器都采用电阻器竞争来达到一个接近一致的功率因数和很小的电流线性失真。本文分析了BOOST功率因数校正主电路，给出了详细的

2、基于平均电流控制的单相高功率因数整流器的设计方案,并介绍了功率因数校正专用集成电路UC3854。理论分析和仿真试验结果都验证了该控制方法及控制器电路的正确性。关键词 ：功率因数校正 ,谐波畸变, 整流器, 仿真Abstract The attention devoted to reducing harmonic pollution is increasing.Power Factor Correctiong(PFC)is an effective method to reduce harmonic current in power gird.Significance of Power Fact

3、or Correction is clarified in this dissertation.A comprehensive review of the recent development and principles of various topologies and control strategies in active PFC are given.One Cycle Control technique.It is applied successfully to the control of single-phase and three-phase high power factor

4、(HPF)rectifiers. Based on the One Cycle Control technology a ageneral and novel PFC controller is proposed for single-phase rectifiers.The principle of the PFC controller for Boost converer is illuminated particularly ,the stability o the proposed PFC controller is analyzed.A novel power factor corr

5、ection main circuit with center-tapped inductor is proposed in this dissertation. Research on single-phase Boost high power factor rectitier is implemented.A 500W sample of Boost PFC system based on One Cycle Control is designed to verify the theoretical analysis. Simulation and experimental results

6、 prove that the Boost PFC rectifier with the proposed controller can achieve low current distortion and unity power factor,its power factor can reach 0.9811.The control method is simple,reliable and general. On the basis of single-phase high power factor rectifier, the dissertation also researches t

7、hree-phase hing power factor rectifier.The fundamental vector principle of three-phase high power factor rectifier with One Cycle technology is analyzed systemically.With theoretical analysis,three-phase general PFC controller based on One Cycle Control for three-phase three-switch rectifier is dedu

8、ce .A7KW test sample of three-phase PFC rectifier base on One Cycle Control is implemented.Simulation and some experimental results are presented at last, they prove that with the proposed three-phase PFC controller rectifier can achieve low current distortion and unity power factor,its input curren

9、t total harmonic distortion is only 4.77%and its power factor(PF)can reach 0.99Keyword: One Cycle Control: Power Factor Correction(PFC): Harmonic: rectifier: Integrator simulation目 录第1章 概 述11.1 功率因数校正的目的与意义11.2 谐波的危害及限制标准21.3 谐波抑制方法21.4 整流技术的发展和应用3第2章 功率因数校正52.1功率因数校正的基本原理52.2 PFC技术分类52.3 常用功率因数校正方法

10、52.3.1 多脉冲整流法52.3.2 无源校正52.3.3 有源校正功率因数校正法（Active Power Factor Correction-APFC）72.4 功率因数校正电路的结构形式72.4.1 PFC电路72.4.2主电路拓扑结构92.5 功率因数校正控制方法102.5.1 DCM控制112.5.2 CCM控制模式12第3章 单相高功率因数校正电路的设计153.1基本原理153.1.1 BoostAPFC电路的工作原理153.1.2 Boost 型整流电路基本控制电163.2 电路设计173.2.1功率级电路173.2.2 控制输入193.2.3 乘法器203.2.4 PWM比较

11、器203.2.5 电压误差放大器203.2.6 电流误差放大器213.2.7 输入的失真源213.2.8 尖波失真223.3 功率因数校正专用集成电路UC3854223.3.1 UC3854的组成结构233.3.2 UC3854的关键特性233.3.3 模块宏模型的构建25第4章 系统仿真284.1 Saber 软件简介284.2 仿真参数294.3 波形图30 4.4 仿真波形图.31毕业设计小结32参考文献33致 谢34前 言 近20年来，随着电力电子技术的不断发展，带非线性负载的电力电子装置应用日益广泛，电网系统中的谐波污染也日趋严重。因此电力电子装置己经成为电网最主要的谐波源之一。这些

12、电力电子装置多数通过整流器与电力网接口，在电网中产生大量的电流谐波，成为电力公害。因此，谐波问题引起人们越来越多的关注。 在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。目前，常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路的非线性电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路最多。但工频二极管和晶闸管整流器存在两个缺点:一是从公共连接点吸取高峰值脉冲电流，使网侧功率因数降低，网损增加;二是给电网注入大量的谐波，造成严重的谐波污染。带阻感负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟知。直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严重的谐波源。这种二极管整流一滤波电容组合电路，其输入电流呈

13、脉冲状，输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，因而基波功率因数接近1。但其输入电流的谐波分量却很大。交流网侧功率因数只有0.6 至 0.7，电流的总谐波畸变率THD高达100%(功率因数为0.99时，电流的总谐波畸变率THD约为3 %)，给电网造成严重污染。采用相控方式的整流器、交流功率调整电路和周波变流器等电力电子装置，在工作时基波电压滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。另外，这些装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。谐波源都是要消耗无功功率的。除上述电力电子装置外，逆变器、直流斩波器和间接DC-DC变换器的应用也较多。但这些装置所需的的直流电源主要来自整流电路，因而其谐波和无功功率

14、问题也很严重，对谐波必须采取有效的抑制和改善措施。对于作为主要谐波源且功率因数很低的整流器，抑制谐波和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旁路或消除谐波: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。即设计新一代的高性能整流器(前置有源整流器)，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

15、力电子设备产生的谐波污染。单相整流电路的无源功率因数校正技术是在整流电路中用LC滤波器来增大整流桥导通角，从而降低电流谐波提高功率因数。无源功率因数校正技术由于采用电感、电容、二极管等元器件代替了价格较高的有源器件，因而使开关电源的成本降低。虽然采用无源功率因数校正不如有源功率因数高，但仍然能使电路的功率因数提高到0.7至0.8，电流谐波含量降到40%以下。因而这种技术在中小容量的电子设备中仍被广泛采用。第1章 概述第1章 概 述1.1 功率因数校正的目的与意义传统上功率因数(PF)用cos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:根据

16、正弦电路中有功功率(P)、视在功率(s)、功率因数的定义，有:(1-1)(1-2) PF=有功功率/视在功率 (1-3)其中,为输入电流基波有效值:(1-4)为电网电流有效值:(1-5) 式中，电流的基波分量、二次谐波分量、n次谐波分量的有效值；为输入电压基波有效值；为输入电流的波形畸变因数；为基波电压和基波电流的位移因数。从式(1-3)可以看出，功率因数PF即为两个因子的乘积，它由输入电流的波形畸变因数(与电流的波形有关),以及基波电压电流的位移因数(它描述了负载的电抗特性)决定。 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)由式(1-1)(1-6)可得THD与畸

17、变因子的关系为: (1-7)第1页 共34页单周期控制的高功率因数整流器的研究由前面的推导我们可以得出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方面入手。1. 2 谐波的危害及限制标准整流电路是电子设备中最基础并且应用最多的电路，广泛应用于电力、冶金、化工、通讯和家电等领域，如开关电源、通讯电源、交一直一交变频电源、直流调速电源、不间断电源(UPS)等，整流器是这些装置中的一个重要组成部分。传统的开关整流电路是由二极管整流获得脉动的直流电源，再经大电容

18、C滤波后给负载供电。它的一个显著特点是:在稳态时负载只在输入电压峰值附近获得电能，输入电流为尖脉冲。图1-1给出传统的单相整流电路图1-1 单相整流电路谐波电流对电网的危害主要表现在以下几个方面：(1)谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾; (2)谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏; (3)谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述(1)和(2)两项的危害大大增加，甚至引起严重事故;

19、(4)谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确;(5)谐波会对邻近的通讯系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通讯质量，重者导致信息丢失，使通讯系统无法正常工作。谐波的污染与危害己经引起了世界各国的广泛关注。为了减小谐波危害，国际电工委员会(IEC)也于1982年制定了许多关于电磁兼容的国际标准。IEC 1000-3-2制定于1995年，是最新、最严格的标准，它适合于每相电流小于16A的电子设备此标准对谐波电流的限制参见表格。1.3 谐波抑制方法 为了满足谐波标准的要求，必须对电力电子装置等负载产生的谐波进行治理。抑制电第1章 概述力电子装置产生谐波的方法有两种:一种是被动式

20、的，即装设谐波补偿装置来补偿谐波;另一种方法是主动式的，从源头入手，即设计输入电流为正弦、谐波含量低、功率因数高的高性能整流器。(1) 无源滤波器传统的无源滤波器是采用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。(2) 有源电力滤波器有源滤波器是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，并能克服上述传统无源滤波器的不足。有源电力滤波器的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电

21、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，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。(3) 有源功率因数校正 有源功率因数校正技术(APFC)就是在整流电路和负载之间加入有源开关，应用电流反馈技术，使输入端电流波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使输入电流接近正弦，从而

22、提高整流系统的功率因数。其主要优点是:可得到较高的功率因数，如0.970.99 ; THD小;可在较宽的输入电压范围和宽频带下工作;体积重量小;输出电压也保持恒定。主要缺点是:电路复杂，成木高，EMI高。APFC技术虽然在80年代开始兴起，但发展很快，目前单相APFC技术相当成熟。(4) PWM整流技术目前，PWM技术小但用于逆变电路，也开始用于整流电路。通过对PWM整流电路的适当控制，可以得到与电源电压同相位或反相位的输入电流，从而使功率因数接近1。这种整流电路又称为单位功率因数变流器。它对电网小产生谐波污染，是一种真正意义上的“绿色环保”电力电子装置。1.4 整流技术的发展和应用从电力电子

23、技术发展来看，整流器是较早应用的一种AC/DC变换装置。整流技术的发展是随着功率半导体器件的发展而发展的，所以，整流技术也经历了不控整流器、相控整流器到PWM整流器的发展过程。对整流技术有变革意义的是PWM整流技术。所谓的PWM技术，就是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变频变压及控制和消除谐波的目标的一门技术。PWM整流技术的诸多优点，使它成为人们研究的热点。研究主要集中在拓扑结构、建模和控制策略上的。整流技术最突出的应用是在交流变频传动上。变频调速技术山于其优良的调速性能成为电机调速主要控制技术。对于比较常用和成熟的交一直一交变频方案，它包括整流和逆变两

24、个小可缺少的环节。其中整流就是要把土频交流电变为直流电，为逆变器提供直流电源，所以整流器的土作直接影响着变频器的性能。通用变频器一般采用整流一极管小控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电动机供电，但是通用变频器直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统。第3页 共34页单周期控制的高功率因数整流器的研究因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。由于二极管不可控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。而以GTR、 IGBT为代表的全控型器件耐一压较低，过

25、高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全土作，这就限制了通用变频器的应用范围。所以能量回馈问题就提了出来，关于这方而的研究也很多。而PWM整流技术的出现很好地解决了这一问题。整流和逆变均采用PWM控制方法，所以又称为双PWM变频技术。双PWM控制技术打破了过去变频器的统一结构，它具有输入电压、电流频率固定，波形均为正弦，功率因数接近1，输出电压、电流频率可变，电流波形也为正弦的特点。所以双PWM技术将给变频器增添新的生机。第2章 功率因数校正第2章 功率因数校正2.1功率因数校正的基本原理功率因数校正电路基本上是一个AC/DC变换器。一个标准的变换器利用

26、脉冲波宽度调变（PWM）技术来调整输入功率的大小，来供应适当的负载所需的功率。脉冲波宽度调变器控制切换开关将直流输入电压变成一串电压脉冲，随后利用变压器和快速二极管将其转成平滑的直流输出。这个输出电压随即于一个参考电压（这个电压式电源供应器应该输出的标准电压值）进行比较，所产生的电压差回馈至PWM控制器。这个误差电压信号用来改变脉冲宽度的大小，如果输出电压过高，脉冲宽度会减小，进而使输出电压信号降低，易使输出电压恢复至正常输出值。PFC电路也是运用这个方法，都是加入了一个更先进的元件，使得来自交流电源的电流是一个正弦波并与交流电压同位。此时误差电压信号的调变是有整流后的交流电压和输出电压的变化

27、来控制的，最后误差电压信号回馈至PWM控制器。也就是说，当交流电压较高时，PFC电路就从交流电源吸收较多的功率；反之，若交流电压较低，则吸收较少的功率，如此可以抑制交流电流谐波的产生。2.2 PFC技术分类根据电网供电方式，PFC电路分为PFC单相电路和三相PFC电路；根据电路构成，PFC电路分为有源PFC电路和无源PFC电路。PFC技术有多种分类方法，一般认为有来年各种基本的有源PFC技术，其中一种是变换器工作在连续导电模式下的乘法器型PFC技术，另一重是变换器工作在变连续导电模式下的电压跟随型的PFC技术。实际上还有磁放大PFC技术，三电平（Three-level）PFC技术和变连续电容电

28、压模式（DCVM）PFC技术等。2.3 常用功率因数校正方法2.3.1 多脉冲整流法它的基本原理是利用变压器对各次不同谐波电流进行移相，使奇次谐波在变压器次级相互叠加而取消。这种方法在变压器负载平衡的状态下对减小输入端的低次谐波是有效的。2.3.2 无源校正无源校正方法即通过无源元件电阻、电容、电感, 以降低整流器注入电网的谐波电流第5页 共34页单周期控制的高功率因数整流器的研究含量和提高其网侧功率因数。无源校正方法大致可分为3种: 一般方法、串型联谐振法和并联型2.3.2.1 常用方法图2-1为单相不控整流电路功率因数常用校正方法的原理电路。可以看出这一方法具有结构简单、元件少、成本低、可

29、靠性强和工作稳定性好等优点。在这里, 以往在设计电感和电容时, 主要从降低直流侧电压或电流的脉动系数, 从而减小其对负载的影响的角度考虑。实际上, 电压脉动的大小主要取决于电容, 入端谐波含量和功率因数的大小则更取决于电感的设计。因此, 电感的设计主要以降低谐波电流含量为依据。此方案首先由加拿大的S. B. Dew an教授提出, 应用于单相不控整流电路,A. W. Kelly 将其应用于三相不控整流电路中。研究表明, 在入端加较小的相移校正电路, 功率因数可达0. 9左右。这种校正方法的主要缺点是滤波电感体积大, 不利于缩小整机体积; 功率因数的进一步提高非常困难; 谐波电流含量仍然较大,

30、不能满足实际要求; 电感压降大, 使得直流侧电压变化范围大, 对整机性能不利。图2-1常用方法原理图2.3.2.2 串型联谐振法图2-2是单相不控整流电路功率因数串型联谐振方法的原理电路。通常整流电路注入电网的三次谐波电流含量最大(一般大于70% ) , 因此在实际应用中, 将LC 调谐到三次谐波频率, 即对三次谐波而言阻抗为无穷大(理论上) , 这样能有效地抑制三次谐波电流注入电网。串型联谐振法由于不增加无功损耗, 因此能使功率因数明显提高(接近0. 9) , 谐波电流含量亦有明显减少。同样存在着功率因数的进一步提高非常困难, 谐波电流含量仍然较大, 在某些场合不能满足实际要求等不足。图2-

31、2 串型联谐振方法的原理电路2.3.2.3 并型联谐振法图2-3是单相不控整流电路功率因数并联型谐振方法的原理电路。同样在实际应用中, 将LC 调谐到三次谐波频率, 即对三次谐波而言阻抗为无穷小(理论上) , 这样能有效地抑第2章 功率因数校正制三次谐波电流注入电网, 减小了电流波形的畸变程度。但是并联型谐振法不但没能提高网侧功率因数, 反而使功率因数降低了, 因为这种并型联谐振滤波的作用就像一个工作在市电频率下的静止无功发生器, 从而增加了无功损耗。因此, 无源方法校正功率因数、降低谐波电流含量, 虽然电路简单, 但有明显的局限性,而且直波侧动态性能差。为此, 人们更注重有源校正方法的研究。

32、图23 并联型谐振方法的原理电路2.3.3 有源校正功率因数校正法（Active Power Factor Correction-APFC）有源校正功率因数校正直接采用有源开关或AC/DC变换技术，使输入电流成为电网电压同相位的正弦波。在整流器和负载之间介入一个开关变换器，应用电流反馈技术，使输入端的电流波形跟踪交流输入正弦电压的波形，从而使电网输入端的波形比基尼正弦波，并与输入的电网电压通相位。这种方法的主要优点是：可得到较高的功率因数，总谐波畸变小，可在较宽的输入电压范围内和宽带下工作，体积小，重量轻，输出电压也保持恒定。APFC电路的工作原理详见第3章。2.4 功率因数校正电路的结构形式

33、2.4.1 PFC电路功率因数校正技术PFC就是使得输入电流跟踪输入电压波形，减小谐波畸变，提高PF值。80年代初至今，PFC电路拓扑和控制策略得到了大量研究，并且推出了一系列的拓扑。PFC电路大体可以分为两级级联式和单级隔离式。两级级联式PFC前级大多采用不控整流加Boost变换器作为功率因数校正器，后面再加一级DC/DC变换器或者DC/AC变换器调节输出电压;单级隔离式PFC则是将PFC级DC/DC变换器结合成一级，两级共用一个开关管，只调节一个变量，在实现输出电压快速调节的同时不用增加功率开关器件，就能提高功率因数，控制也较两级PFC简单。两级级联式功率因数校正电路又包括单相PFC电路和

34、三相PFC电路。图2-4给出了两级PFC功率变换的方框图。PFC与DC/DC之间的电容是用来吸收半个交流周期内输入和输出间不平衡的能量第7页 共34页单周期控制的高功率因数整流器的研究图2-4 两级功率因数校正方框图两级功率因数校正技术发展至今己经较为成熟，在实际开关电源产品多采用它来实现高功率因数。使用两级PFC具有以下的一些优缺点:1. 具有高的功率因数，THD较小;2. 分为两级控制，系统实现完全解祸，输出DC/DC变换部分可依据不同需要采取多种措施:3. 系统适用在大功率开关电源中:4. 一般采用连续模式来实现功率因数校正;5. 功率元器件较多， 电路复杂，需要采用电流和电压复合控制;

35、两级功率因数校正控制比较复杂， 电子元器件较多，在小功率应用的场合，性价比不高。单级PFC电路是通过共用开关和控制电路，将输入电流整流，隔离以及快速输出电压调节功能级集成在单级电路里，在两部分电路之间增加能量存储单元。这种方法在性能与成本之间提出折衷的解决方式。从电路的构成上可以分为串联式单级变换器和并联式单级变换器。串联式单级功率因数校正变换器可以看作是由两级变换衍化而R.Erickson在1990年较早地提出了建立在反激变换器基础上的简单高功率因数整流器的设计。此后， M. H. Kherulawa等人陆续提出了几种单级PFC技术，但所有这些方案都存在输出电压调节慢、控制复杂和效率低等缺点

36、。1994年， Richard. Redl提出了一系列新型单级隔离式功率因数校正变换器，克服了上述缺点，具有快速调节输出电压、只需一个或同步控制的两个开关、一个PWM控制回路且自动整定线电流的优点。图2-5给出了单级隔离式PFC变换电路方框图。这种变换器的PFC单元和DC/DC单元共用一个开关， 因此省去了一个开关及其控制器。图2-5 单级隔离式PFC变换电路方框图单级功率因数校正的优缺点可以总结如下:1.电路结构简单，容易实现控制，性价比高;2.只需采用一个电压环;3.器件的电压应力较大;4.输入对EMI设计有要求; 5.适用于小功率场合(<200W)第2章 功率因数校正2.4.2主电

37、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, Flyback, Cuk, Septic及Zeta变换器都可以作为PFC的主电路。图2-6给出了其中的三种常用的主电路拓扑。2.4.2.1 Boost-PFC主电路当开关管Q导通时，电流IL流过电感线圈L，在电感线圈未饱和前，电流线性增加，电能以磁能的形式储存在电感线圈中，此时，电容C放电为负载提供能量；当开关管Q关断时，由于线圈中的磁能将改变线圈L两端的电压极性，以保持其电流IL不变。这样，线圈L转化成的电压VL与电源VIN串联，以高于输出

38、电压向电容和负载供电。这种电路的优点是输入电流完全连续，并且在整个输入电压的正弦周期都可以调制，因此可获得很高的功率因数；电感电流即为输入电流，容易调节；开关管门极驱动信号地与输出共地，驱动简单；输入电流连续，开关管的电流峰值较小，对输入电压变化适应性强，适用于网压变化特别大的场合。其主要缺点为输出电压必须大于输入电压的最大值，所以输出电压比较高；不能利用开关管实现输出短路保护。2.4.2.2 Buck-PFC主电路当开关管Q导通时，电流IL流过电感线圈，在电感线圈未饱和前，电流IL线性增加；当开关管Q关断时，由于线圈中的磁能将改变线圈两端的电压极性，以保持IL不变。由于变换器输出电压小于电源

39、电压，故称它为降压变换器。这种电路的主要优点是开关管所受的最大电压为输入电压的最大值，因此开关管的电压应力比较小；后级短路时，可以利用开关管实现输出短路保护。该电路的主要缺点是：由于输入电压大于输出电压，该电路才能工作，所以在每个输入正弦周期中，该电路有一段因输入电压低而不能正常工作，输出电压较低，相同功率等级时，后级DC/DC变换器电流应力较大，开关管门极驱动信号地与输出地不同，驱动比较复杂，输入电流断续，因此功率因数不可能提高很多。2.4.2.3 Buck-Boost-PFC主电路当开关管Q导通时，电流IIN流过电感线圈，L储存能量，此时，电容C放电为负载提供能量；当开关Q断开时，IL有减

40、小趋势，电感线圈产生的自感电势反向，二极管D正向偏压而导通，电感释放其储存的能量，向电容C和负载供电。该电路的优点有：即可对输入电压升压，又可以降压，因此在整个输入正弦周期都可以连续工作；该电路输出电压选择范围较大，可根据后级的不同的要求设计；利用开关管可以实现输出短路保护。该电路的主要缺点有：开关管所受的电压为输入电压与输出电压之和，因此开关管的电压应力较大；由于每个开关周中，只有在开关管导通时才有输入电流，因此峰值电流较大；开关管门极驱动信号地与输出地不同，驱动比较复杂；输出电压极性与输入电压极性相反，后级逆变电路较难设计。第9页 共34页单周期控制的高功率因数整流器的研究图2-6 常用功

41、率因数校正的电路拓扑结构2.4.2.4 主电路小结由于BOOST电路结构简单，实现成本低，所以它是目前应用最广泛的功率因数校正电路。除了上述特点，在BOOST 电路中与整流桥串联的电感能减小高频噪声，减小输入滤波器的体积，从而降低了成本。结构形式BOOSTBUCKBUCK/BOOST功率因数高低高Uo与Ui的关系Uo大于 UiUo小于等于UiUo为任意值滤波电路体积小大大短路保护无有有开关电压UoUiUi+Uo门极驱动信号接地浮地浮地本文的单相功率因数校正电路将以Boost电路为主电路进行分析。2.5 功率因数校正控制方法PFC电路在提高电力电子装置网侧功率因数、降低电网谐波污染方面起着很重要

42、的作用。随着PFC技术应用的普及，PFC电路拓扑日渐成熟。按照输入电感电流是否连续，PFC分为不连续导通模式(DCM)和连续导通模式(CCM )，以及介于两者之间的临界DCM模式(BCM)。有的电路还根据载功率的大小，使得变换器在不连续导通模式(DCM)和连续导通模式(CCM)之间互相转换，称为混连模式(Mixed Conduction Mode-MCM)。DCM的控制可以采用恒频、变频、等面积等多种方式。CCM模式根据是否直接选取瞬态电感电流作为反馈和被控制量，有直接电流控制和间接电流控制之分。直接电流控制有峰值电流控制(PCMC )、滞环电流控制(HCC)、平均电流控制(ACMC )、预测

43、瞬态电流控制(PICC )、线性峰值电流控制(LPCM )、非线性载波控制(NLC )等方式。电流的控制也可以通过控制整流桥输入端电压的方式间接实现，称为间接电流控制或电压控制。第2章 功率因数校正2.5.1 DCM控制DCM控制又称电压跟踪方法，它是PFC中简单而实用的一种控制方式，应用较为广泛。DCM控制模式的特点:输入电流自动跟踪电压并保持较小的电流畸变率;功率管实现零电流开通(ZCS)且不承受二极管的反向恢复电流;输入输出电流纹波较大，对滤波电路要求较高:峰值电流远高于平均电流，器件承受较大的应力:单相PFC功率一般小于200W，三相PFC功率一般小于10KW。2.5.1.1 恒频控制

44、 下图2-9为Boost电路的DCM控制原理图，电压调节器E/A的频带宽度取1020Hz,确保稳态时输出占空比在半个工频周期保持不变。恒频控制时开关周期恒定，电感电流不连续。电感电流在一个开关周期中的平均值为:（2-1）式中Ug-整流后的电压 Ton-功率开关管VS的导通时间 Tdon-二极管VD的续流时间Ts-开关周期式中若Tdon恒定，DC/DC变换器输入侧等效为阻性负载，整流器交流侧电压电流同相位。实际上，Tdon在半个工频周期中并不恒定，导致输入平均电流有一定程度的畸变。输出电压和输入电压峰值的比值越大，输入电流畸变程度越小。该控制方式下的电流THD可控制在10%以内。图2-7DCM控

45、制原理图2.5.1.2 变频控制式(2-1)中，若Ts = Ton + Tdon，则输入平均电流只与导通时间有关，保持To恒定，输入电流理论上无畸变，这就是变频控制的原理。变频控制方式下的电流工作于临界DCM状态。有文献提出以中等面积控制方法减小电流THD，它通过控制实际电流在一个开关周期的时间积分面积与电流参考信号的时间积分面积相等，从而实现输入平均电流与参考电流的零误差。此外，占空比调制、谐波注入PWM等方式也可以减小输入电流谐波含量。有文献对三相单开关电路提出一种优化的占空比调制方法，实现了系统对输出电压的快速调节，减小了输入电流中与电网频率相关的纹波。第11页 共34页第2章 功率因数

46、校正2.5.2 CCM控制模式 CCM相对DCM其优点为:输入和输出电流纹波小、THD和EMI小、滤波容易;RMS电流小、器件导通损耗小;适用于大功率应用场合。CCM模式下有直接电流控制与间接电流控制两种方式。直接电流控制的优点是电流瞬态特性好，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、开关机理清晰。2.5.2.1 直接电流控制 直接电流控制是目前应用最多的控制方式，它来源于DCIDC变换器的电流模式控制。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。根据控制方式的不同，较典型的控制方式有峰

47、值电流控制、平均电流控制和滞环电流控制等。（1）峰值电流控制(PCMC) PFC中的峰值电流控制和DC/DC变换器中的峰值电流控制原理相同，只是电流环的程控信号不再是直流而是按正弦规律变化。峰值电流控制实现较为容易，相关的控制IC有ML4812. ML4819, TK84812, TK84819等。图2-8 电流峰值控制法实现的BOOST功率因数校正原理框图图2-8为电流峰值控制法实现的BOOST功率因数校正原理图。图中，开关管的电流is被检测，所得信号isRi被送入比较器，电流基准值由乘法器输出Z供给。乘法器有两个输入，一个是X，是输出电压V0/H与基准电压Vref之间的误差（经过电压误差放

48、大器VA）信号：另一个输入Y为电压Vdc检测值Vdc/K，Vdc输入正弦电压Vi的全波整流值。因此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Vdc的波形，使输入电流和输入电压同相位，并接近正弦。闭环系统中的电压环由分压器1/H,电压误差放大器VA，乘法器，电流比较器及驱动器组成。因此，在保持输入端功率因数接近1的同时，也保持输出电压稳定。峰值电流控制的缺点:电流峰值和平均值之间存在误差，无法满足THD很小的要求电流峰值对噪声敏感:占空比大于0.5时系统产生次谐波振荡:需要在比较器输入端加斜坡补偿。在PFC中，这种控制方法趋于被淘汰。（2）滞环电流控制(HCC) 滞环电

49、流控制最初用于控制电压型逆变器的输出交流电流，对Boost电路而言，它是最简单的电流控制方式。第13页 共34页图2-10 滞环电流控制的BOOST功率因数校正的原理图图2-10给出了用滞环电流控制的BOOST功率因数校正的原理图，由图可见，电流滞环控制法与峰值法控制的差别只是：前者检测的电流是电感电流，而且控制电路中多了一个滞环逻辑控制。滞环控制器的特性，和继电器特性一样，有一个电流滞环带。所以检测的输入电压经分压后，产生两个基准电流：上限和下限值。当电感电流达到基准下限值时，开关导通，电感电流上升，当电感电流达到基准值上限时，开关管端，电感电流下降。电流滞环宽度决定了电流波纹的大小，它可以

50、是定值。也可以与瞬时平均电流成反比。电流滞环控制法仍对噪声敏感。从其控制原理上来说，仍是双环控制。内环为电流调节环，提高了系统性能的快速性。外环为稳定输出电压的闭环反馈，用来提高系统的稳定性和控制精度。给定的基准电压与反馈电压比较后，作为电流调节环的基准值与输入电流检测值比较后，在滞环比价比较器运算后，经驱动电路便形成了PWM脉冲驱动开关管的开通和关断。滞环电流控制的特点：控制简单、电流动态响应快、具有内在的电流限制能力:开关频率在一个工频周期中不恒定，引起EMI问题和电流过零点的死区:负载对开关频率影响很大，滤波器只能按最低频率设计:滞环宽度对开关频率和系统性能影响大，需合理选取。传统的滞环

51、控制改变频率的缺点促使研究者寻求改进的方法，主要思路是将滞环控制的优点和恒频控制的优点结合起来。（3）平均电流控制(ACMC)平均电流控制，又称三角载波控制。图示2-10为平均电流控制BOOST功率因数校正原理图。它的主要特点是用电流误差放大器CA代替前面两种控制的电流比较器。平均电流控制法应用于功率因数调节，以输入整流电压和输出电压误差放大信号的乘积为基准电流；并且电流环调节输入电流平均值，使与输入整流电压同相位，并接近正弦波。输入电流信号被直接检测与基准电流比较后，其高频份量的变化，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，给开关驱动信号，并决定了其应有的占

52、空比。于是电流信号误差被迅速而精确的校正，由于电流环由较高的增益宽带，是跟踪误差的畸变小于1%，容易实现接近1的功率因数。平均电流控制的特点是:THD和EMI小、对噪声不敏感、开关频率固定，适用于大功率应用场合，是目前PFC中应用最多的一种控制方式。以平均电流控制原理设计的PFC集成控制器UC3854，在单相Boost型电路中得到了普遍应用。其它平均电流控制IC有TK83854, ML4821等。图2-10 平均电流控制BOOST功率因数校正原理图预测瞬态电流控制(PICC)是针对数字式控制提出的一种控制策略，它通过推导一个开关周期内电感平均电压和电流表达式，根据期望的电流值预测下一个开关周期

53、的平均电感电压(开关占空比)。将其连续化处理后，可以发现它和平均电流控制有相似的结构。2.5.2.2 间接电流控制 间接电流控制是一种基于工频稳态的控制方式。图2-11（a）为间接电流控制原理图，整流桥为单相可逆结构，图中电感电流is由电源电压Us和整流桥输入电压Uan的基波分量决定，当电源电压和电感值一定时，通过控制电压Uan的幅值和相位，即可控制输入电流，这就是间接电流控制的基本原理，图2-11(b)为电路处于功率因数为1的整流状态时的相量图。从相量图可以看出，当Um的相位超前电源电压时，电感电流反向，整流桥进入逆变状态。通过控制电压Uan1整流桥可实现四象限运行。（a）间接电流控制原理图

54、 (b)相量图图2-11 间接电流控制间接电流控制的缺点:自身无限流功能，需另加过流保护电路;系统从一稳态向另一稳态过渡时电流中会出现直流分量:系统动态响应慢。间接电流控制的上述缺点影响了它在PFC中的应用。第3章 单相高功率因数校正电路的设计第3章 单相高功率因数校正电路的设计3.1基本原理3.1.1 BoostAPFC电路的工作原理有源功率因数校正大都采用高频APFC电路。该电路接在整流桥和变换器之间，其功率因数可达0.99以上，谐波分量小于10%，输入电压在90270V，适用范围广，输出电压稳定，但电路复杂，大都采用集成电路控制APFC是抑制谐波电流，提高功率因数的有效方法，交流输入电压

55、经过桥式整流后再经DC/DC交换，通过相应的控制使输入电流平均值自动跟随全波整流电压基准值并保持输出电压稳定。APFC电路有两个反馈控制环：一是输入电流环，使DC/DC交换器输入电流的波形与桥式整流电压的波形相同；二是输出电压环，使DC/DC交换器输出端为一个直流稳压源。在APFC电路中，DC/DC交换器是输入电流和输入电压都为桥式整流波形，并且相位相同。图3-1 升压式功率因数校正电路原理图图3-1是升压式功率因数校正电路的方框图。升压式功率因数校正的功率电路与DC/DC生涯是变换电路是相同的。在电感前面的二极管桥整流交流输入电压，通常AC/DC交换用的大输入电容被移到升压变换器的输出端。如果有输入电容紧接输入二极管桥，也只适用于噪声控制的小电容。升压调解器的输出是一个恒定电压，但输入电流因输入电压被调整成半个正弦波。进入输出电容的功率并非是恒定的，但它是一个两倍于电网线路频率的正弦波，为功率时瞬时电压与电流的乘积，见图3-2。第15页 共34页第3章 单相高功率因数校正电路的设计图3-2 PFC预调整器波形图3-2中最上端的波形表示输入功率因数校正器的电压和电流波形，第二个波形是流进和流出输出电容的能量。当输入电压高时，输出电容储存能量；当输入电压低时，则释放能量以保持输出功率