开关电源及有源功率因数校正技术

1、第1章 开关电源技术(jsh)及PFC概述 1.1 什么是开关电源技术 1.2 开关电源的构成及特点 1.3改善开关电源谐波和功率因数(n l yn sh)的方法 精品资料1.1 什么什么(shn me)是开关电源技术是开关电源技术直流电源分为直流电源分为(fn wi)：线性电源和开关电源。：线性电源和开关电源。 线性电源是指调整管工作在线性状态下的直流线性电源是指调整管工作在线性状态下的直流稳压电源。稳压电源。 图1-1 利用可变电阻稳压精品资料 实际电源实际电源(dinyun)电路中，通常利用负反馈原理，电路中，通常利用负反馈原理，以输出电压的变化量去控制晶体管集电极与发射极之以输出电压的

2、变化量去控制晶体管集电极与发射极之间的电阻值，原理电路见图间的电阻值，原理电路见图1-2。 图1-2 利用(lyng)反馈加晶体管稳压1.1 什么是开关电源技术什么是开关电源技术精品资料常用的线性串联型稳压电源芯片有：常用的线性串联型稳压电源芯片有：78XX系列（正电压型），系列（正电压型），79XX系列（负电压型）系列（负电压型）（例如（例如7805，输出电压为，输出电压为5V）；）；LM317（可（可调正电压型），调正电压型），LM337（可调负电压型）；（可调负电压型）； 由于调整管相当于一个电阻，电流流过电阻由于调整管相当于一个电阻，电流流过电阻时会发热，所以工作在线性状态时会发热，所

3、以工作在线性状态(zhungti)下的调整管，一般会产生大量的热，导致效下的调整管，一般会产生大量的热，导致效率不高（满载才率不高（满载才80%）。这是线性电源的一）。这是线性电源的一个主要缺点。个主要缺点。1.1 什么什么(shn me)是开关电源技是开关电源技术术精品资料1.1 什么什么(shn me)是开关电源技是开关电源技术术精品资料线性电源特点线性电源特点优点：技术成熟，已有大量集成化的稳压电优点：技术成熟，已有大量集成化的稳压电源模源模 块，稳定性好，输出纹波电压小等。块，稳定性好，输出纹波电压小等。缺点：需要的变压器为工频变压器体积大，缺点：需要的变压器为工频变压器体积大，效率低

4、。效率低。 整流管流过和负责相同的电流，损耗整流管流过和负责相同的电流，损耗增大；增大； 为减少纹波，输入滤波电容容量要求为减少纹波，输入滤波电容容量要求大，否大，否 则脉动则脉动(midng)电压增加；此外，由电压增加；此外，由于调整管功耗于调整管功耗 大，所以需要装体积很大的散热片，大，所以需要装体积很大的散热片，很难满很难满 足现代电力电子设备发展的需求。足现代电力电子设备发展的需求。1.1 什么(shn me)是开关电源技术精品资料1.1 什么什么(shn me)是开关电源技术是开关电源技术 我我们们所所说说的的开关电开关电源技源技术术特指采用特指采用PWMPWM技技术术的的DC/DC

5、DC/DC直流直流开关电开关电源。源。 我我们们所用的所用的电电源是指源是指经过转换经过转换才能符合使用的需要。例如才能符合使用的需要。例如(lr)(lr)，交流，交流变变直流，高直流，高压变压变低低压压等。也就是我等。也就是我们们所所谓谓的粗的粗电变电变精精电电的的过过程。程。 广广义义的的说说，各，各种种采用采用开关开关器件的器件的电电力力变换电变换电路都可以叫做路都可以叫做开开关电关电源。源。 精品资料开关电源1.1 什么什么(shn me)是开关电源技是开关电源技术术精品资料开关电源的特点开关电源的特点 直流电直接由市电整流获得，不需要工频变直流电直接由市电整流获得，不需要工频变压器，

6、体积小重量轻。压器，体积小重量轻。 工作频率高，滤波电容数值小也使得整个电工作频率高，滤波电容数值小也使得整个电源体积小，重量轻。源体积小，重量轻。 调整管工作在开关状态，功耗小，机内温升调整管工作在开关状态，功耗小，机内温升低，提升了整机的稳定性和可靠性。低，提升了整机的稳定性和可靠性。开关电源技术开关电源技术(jsh)即现代电源技术即现代电源技术(jsh)。 1.1 什么什么(shn me)是开关电源技是开关电源技术术精品资料电子设备的小型化和低成本化，使电源电子设备的小型化和低成本化，使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。传以轻、薄、小和高效率为发展方向。传统的线性稳压电源很难满足现代电

7、子设统的线性稳压电源很难满足现代电子设备发展的要求。备发展的要求。开关电源以其体积小、重量轻、效率高开关电源以其体积小、重量轻、效率高性能稳定等优点性能稳定等优点(yudin)逐渐取代传统逐渐取代传统技术制造的线性电源，并广泛应用于电技术制造的线性电源，并广泛应用于电子整机和设备中。子整机和设备中。现代电源技术指开关电源技术现代电源技术指开关电源技术1.1 什么(shn me)是开关电源技术精品资料1.2 开关电源国内外发展开关电源国内外发展(fzhn)状况状况20世纪世纪50年代，美国宇航局最先为搭载火箭年代，美国宇航局最先为搭载火箭开发了体积小，重量轻的开关电源。开发了体积小，重量轻的开关

8、电源。 20世纪世纪80年代，计算机已经全面实现了开年代，计算机已经全面实现了开关电源化。随后关电源化。随后(suhu)90年代，开关电源年代，开关电源在其他领域（电子，电气设备、家电领域）在其他领域（电子，电气设备、家电领域）得到了广泛应用。得到了广泛应用。精品资料开关电源技术的发展趋势开关电源技术的发展趋势 高频化、小型化。开关电源的体积、重高频化、小型化。开关电源的体积、重量主要是由储能元件决定。在一定范围内，量主要是由储能元件决定。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效的减少储能开关频率的提高，不仅能有效的减少储能元件的体积、重量，而且还能抑制干扰，元件的体积、重量，而且还能抑制干扰

9、，改善系统的动态性能。因此，高频化是开改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向关电源的主要发展方向(fngxing)。 高可靠性。从寿命的角度，提高电解电高可靠性。从寿命的角度，提高电解电容，光耦，排风扇的寿命。从设计的角度，容，光耦，排风扇的寿命。从设计的角度，提高电源集成度，减少元器件，简化电路，提高电源集成度，减少元器件，简化电路，提高可靠性。提高可靠性。 1.2 开关电源国内外发展开关电源国内外发展(fzhn)状况状况精品资料 低噪声。开关电源的频率越高，噪声也就越大。低噪声。开关电源的频率越高，噪声也就越大。这是开关电源的缺点之一。因此，尽可能降低噪这是开关电源的缺点

10、之一。因此，尽可能降低噪声是开关电源的发展声是开关电源的发展(fzhn)方向（目前是谐振方向（目前是谐振转换技术）转换技术） 采用计算机辅助设计和控制。采用采用计算机辅助设计和控制。采用CAD设计设计（拓扑结构和参数（拓扑结构和参数)，使开关电源具有最简结构和，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机监测，构成多功能最佳工况。在电路中引入微机监测，构成多功能监系统，实现实时监测、自动报警等。监系统，实现实时监测、自动报警等。 1.2 开关电源国内外发展开关电源国内外发展(fzhn)状况状况精品资料电力电子器件和磁性元件的发展与开关电源发电力电子器件和磁性元件的发展与开关电源发展是息息

11、相关的。展是息息相关的。研究低损耗，低噪声技术以及开发新型（高速研究低损耗，低噪声技术以及开发新型（高速高频高频(o pn)）元器件，是开关电源实现小型）元器件，是开关电源实现小型化、高频化、高频(o pn)化以及高可靠性的重要推动。化以及高可靠性的重要推动。 总之，高效率、小型化、智能化以及高可靠性总之，高效率、小型化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是开关电源今后的发展方向。是大势所趋，也是开关电源今后的发展方向。1.2 开关电源国内外发展开关电源国内外发展(fzhn)状况状况精品资料1.3 改善开关电源功率因数改善开关电源功率因数(n l yn sh)和谐波的方法和谐波的方法开关电源谐波

12、严重和功率因数低的原因：二极管整流和电容(dinrng)滤波 解决用电设备谐波污染的方法： （一）增设电网补偿装置（有源和无源滤波） （二）改进电力电子装置使之不产生或产生很小的谐波（PWM整流和功率因数校正技术）精品资料（3-4）功率因数校正(jiozhng)(Power Factor Correction,PFC)实现的方法 （一）无源功率因数校正(jiozhng)（Passive Power Factor Correction, PPFC） （二）有源功率因数校正(jiozhng)（Active Power Factor Correction, APFC）精品资料3-17 无源功率因数校

13、正( PPFC)技术是通过在整流电路中加入电感和电容(dinrng)等无源元件，使整流桥中的二极管导通时间变长，从而降低电流谐波，提高功率因数。它是传统补偿无功和抑制谐波的主要手段。PPFC技术具有结构简单及成本低的优点，虽然校正效果不如APFC技术理想，但在中小功率场合仍具有良好的应用价值。 （一）无源（一）无源(w yun)功率因数校功率因数校正正精品资料传统无源(w yun)滤波电路精品资料通常在分析PPFC原理时，采用的图a所示的DCL方式电路，滤波电感接在整流桥的后面，而实际(shj)应用中一般是将滤波电感接在整流桥的前面，采用的是图所示的ACL方式电路，这种接法可以有效地去除直流分

14、量，避免电感铁心饱和。同时在相同的条件下，采用ACL方式输出直流电压损失较小，电源电压利用率高。LC滤波电路中合适地选取电感值的大小，有利于PFC的效果。在输出功率不变时，当电感量较小(5mH)时，PFC效果不明显，但随着电感量的增大当L= 50mH时，整流二极管的导通时间变长，尖脉冲状的输入电流变得平滑，输入电流总谐波减少。精品资料但当L= 300mH时，虽然高次谐波分量进一步减小，输入(shr)电流波形更近似于正弦波，但输入(shr)电流与输入(shr)电压之间的相位差明显加大，使得功率因数降低，无功功率增大，电源的利用率下降。从图2-2中还可看出随着电感量的增大直流输出电压明显下降。 实

15、验结果表明无源LC滤波电路在小功率场合应用，PFC较好，不太适合功率大于300W的应用场合。图2-3所示为输出功率P=300W时的输入(shr)电流波形和谐渡频谱图，从图中可知虽然高次谐波含量得到了非常好的抑制，但随着输出功率的增大，输人电流与输入(shr)电压之间的相位差明显加大，使得PFC效果较差。精品资料输入电流(dinli)波形和输出电压平均值精品资料精品资料 PPFC技术的主要优点是：简单可靠、不需控制电路、技术的主要优点是：简单可靠、不需控制电路、EMI小。小。 主要缺点是：主要缺点是： （1）滤波电感和电容的值较大，因此体积较大，而且难以得）滤波电感和电容的值较大，因此体积较大，

16、而且难以得到高功率因数（一般可提高到到高功率因数（一般可提高到90%左右），在有些场合下，无法满左右），在有些场合下，无法满足现行标准规定的谐波限制要求足现行标准规定的谐波限制要求(yoqi)； （2）如产生的谐波超过设计时的参数，会造成滤波器过载或损）如产生的谐波超过设计时的参数，会造成滤波器过载或损坏；坏； 精品资料 （3）滤波电容上的电压是后级DC/DC变换器的输入电压，它随输入交流电压和输出负载的变化而变化，这个变化的电压影响了DC/DC变换器的性能。 由于PPFC技术采用低频电感和电容进行输入滤波，工作(gngzu)性能与频率、负载变化及输入电压变化有关，因此比较适合于功率相对较小（

17、如小于300W）、对体积和重量要求不高且对价格敏感的场合应用。精品资料（二）有源功率因数（二）有源功率因数(n l yn sh)校正（校正（APFC） APFC技术由于电路工作在高频开关状态，因此相对于PPFC技术具有体积小、重量轻、效率高的优点，在开关电源中得到广泛应用。 从不同的角度看，APFC技术有很多种分类方法。从电网供电方式来分，可分为单相APFC电路和三相APFC电路；从控制模式米分，可分为电流(dinli)连续模式(ContinuousCurrern - ModeCCM)、电流(dinli)断续模式（Discontinuoua CUrrent Mode，DCM）和电流(dinli

18、)临界模式(Boundary Current - Mode，BCM)从开关模式来分，可分为硬开关模式和软开关模式；从电路构成来分，可分为两级APFC电路和单级APFC电路精品资料 在开关电源等电力电子装置中实施功率因数校正措施，除了要满足这些强制标准的要求(yoqi)、获得市场准入条件外，其意义还有以下几点： (1)在开关电源等电力电子装置中，实施PFC措施后，由于减少了谐波电流含量，有利于降低对其他用电设备的干扰，功率因数的提高也有利于提高电网设备的利用率和节约电能。 (2) 采取PFC措施后（一般都使用Boost电路），电源的允许输入电压范围扩大，可以达到90 - 270V（单相），能适应

19、世界各国不同的电网电压，大大提高了开关电源的可靠性。 （三）在开关电源中实施功率因数(n l yn sh)校正的意义精品资料（3）采取PFC措施后，由于PFC电路的稳压作用，其输出电压是基本(jbn)稳定的，有利于后级DC/DC变换电路的工作点保持稳定和提高控制精度。 （4）可以提高电网设备的安全性，在三相四线制电路中，3次谐波在中线中的电流同相位，导致中线电流很大致使中线有可能因过电流发热而引起火灾、损坏电气设备。在开关电源等电力电子装置中，采取PFC揩施后，减小了谐波电流分量，减小了中线电流，可有效提高供电系统的可靠性。精品资料 （5）可以提高开关电源等电力电子装置自身的可靠性，如果不采取

20、PFC措施，过大的尖蜂脉冲电流，严重危害直流侧的滤波电容，引起二极管正向压降增加、导致功耗增加。另外，输入侧的EMI滤波元件因承受高峰值电流脉冲，也需要加大参数指标，以提高承受能力。（6）提高用电安全性 ，例如，美国从安全角度出发，提出功率因数的要求。在美国，办公环境使用的110V/15A电源插座，由于UL（美国保险商实验所）标准的限制(xinzh)只能使用12A的电流。 如果电源效率为85%、PF=0 65，设备只能得到729. 3W的功率(110V12A0 85 65=729. 3W)，功率再大就要跳闸。精品资料同样输入条件下，增加输出功率有两种办法：一是提高电源效率；二是提高功率因数。提

21、高效率要受到电源电路(dinl)水平的限制，难度较大，并且效果也不明显，但提高功率因数则效果明显，例如把PF=0. 65提高到PF=0 99，设备在相同条件下就能得到1170的功率(110V12A0 850 99=1170W)，这样就可以满足新一代工作站、大功率音响设备等需要较大（一般都在700W以上）功率的要求。精品资料（四）（四）PFC技术技术(jsh)的发展趋势及研究热的发展趋势及研究热点点 从无源到有源PFC得益于电力电子器件的发展，APFC从单相到三相，从硬开关到软开关。 研究热点： （1）新型拓扑结构的提出，主要是基于已有的或新的原理得到新型拓扑结构，以提高转换效率或达到简化电路结

22、构的目的。 （2）把DC/DC变换器中的新技术应用于APFC电路中。例如，软开关技术的应用可以提高开关频率、减少开关损耗和EMI。 （3) 基于已有拓扑结构的新控制方法，以及(yj)基于新拓扑的特殊控制方法的研究，引入预测控制、空间矢量控制、单周期控制、滑模变结构控制以及(yj)模糊控制等新型控制策略可改善电路的性能。 总之，成本低、效率高、结构简单、容易实现，并且具有高响应速度、低输出电压纹波提高功率因数变换器是研究人员追求的最终目标。精品资料第2章 APFC的典型拓扑(tu p)结构 2.1升降压变换(binhun)电路 2.2单端正激变换(binhun)电路 2.3单端反激变换(binh

23、un)电路 2.4推挽式变换(binhun)电路 2.5 半桥和全桥变化电路精品资料概述(i sh) APFC机构：两级结构和单级结构 两级结构 第一级是PFC，通常采用BOOST电路，其任务是实现网侧电流正弦化以及电压粗调；第二级是DC/DC（直接或间接变换），其任务是对输出电压进行细调。优点：性能好，技术成熟；缺点(qudin)结构复杂、整机效率较低和性价比不高，适用于精密仪器电源等。 单级结构 PFC和DC/DC变换合二为一，目的减少元器件、节约成本，提高效率和简化控制。特点：整机效率高（电脑、电视的电源），性能稍差，所以目前研究主要集中在单级APFC。精品资料两级APFC结构(jigu

24、) 单级APFC结构(jigu) 精品资料2.1 BUCK2.1 BUCK（BOOST) APFC BOOST) APFC 变换变换(binhun)(binhun)电路电路（一） BUCK 变换(binhun)电路 带有APFC的DC/DC和普通DCDC变换器时主要有以下两点不同： （1）输入电压非稳定的直流电压； （2）输出输入电压比非定值。 因此构成PFC电路的变换器分析比较复杂。由于变换器中的开关频率远高于输入电压频率，因此在以下的分析中，我们采用准静态的方法分析变换器的工作，这种分析方法是建立在小信号线性化近似基础上的。 精品资料电路特点 电流断续，输入功率因数低。Buck PFC变换

25、器的优点是输出电压较低。在低输出电压（3 3V-l. 8V等）两级式变换的场合(chng h)，可“减小后级变换器的电压传输比。缺点是无论其工作在DCM或者CCM模式，在输入电压过零附近，由于开关管将关断，输入电流为零，不能取得高功率因数。并且在每个开关周期内，输入电流都是断续的，输入端需要较大的LC滤波器消除高频纹波。精品资料（二）（二）BOOST APFC 电路电路(dinl) 电路特点：有DCM和CCM两种工作方式，电感足够大时电网电流连续(linx)（常用）。滤波电感串联在输入端，输入电流高频纹波小。精品资料（三）基于（三）基于Cuk、Sepic和和Zeta电路的电路的PFC变换器变换

26、器 前三种基本拓扑是用电感作为传送能量的元件，基于前三种基本拓扑是用电感作为传送能量的元件，基于Cuk、Sepic和和Zeta电路的电路的PFC变换器是用电容作为传送能量的元件变换器是用电容作为传送能量的元件。基于基于Cuk、Zeta和和Sepic的的PFC变换器工作原理相似，输入电变换器工作原理相似，输入电流和输入电压为同相位的正弦量，功率因数校正效果较理想，流和输入电压为同相位的正弦量，功率因数校正效果较理想，但并不广为使用，原因是能量转换但并不广为使用，原因是能量转换(zhunhun)用电容需要承用电容需要承受极大的纹波电流，这种电容成本高，可靠性也稍差些。受极大的纹波电流，这种电容成本

27、高，可靠性也稍差些。精品资料精品资料2. 2 正激正激APFC变换器变换器图 2-2 正激变换(binhun)电路正激电路(Forward) 工作过程 开关VT开通后，变压器原边绕组两端的电压为上正下负，与其耦合的副边绕组两端的电压也是上正下负，因此VD处于通态。 VT关断后，电感L通过 VD1续流，VD关断。 正激变换(binhun)就是带隔离的Buck斩波电路精品资料2. 2 正激正激APFC变换器变换器图 2-3 带有磁复位(f wi)的正激电路正激电路的磁复位 变压器线圈电压或电流回零时，磁芯中的磁通并不为零，称之为剩磁。剩磁的累加可能导致磁芯饱和(boh)，因此正激电路需要磁复位技术

28、。精品资料2. 2 正激APFC变换器图 2-4 正激变换电路(dinl)工作波形 SuVT iLiSOttttUiOOO图 2-5 正激变换电路(dinl)工作波形 精品资料2. 2 正激正激APFC变换器变换器 变压器的磁心复位(f wi)所需的时间为,on13rsttNNt输出电压 输出滤波电感(din n)电流连续时 TtNNUUon12ioi31vtUNNU磁复位期间，开关管两端电压为 精品资料 变压器的磁心复位所需的时间推导：利用开关(kigun)管导通期间变压器原边磁通的增加量等于关断期间磁通的减少量。 on1itNU rst3itNU 导通期间(qjin) 关断期间2. 2 正

29、激APFC变换器精品资料 输出电压推导：利用开关管导通期间电感(din n)储存的能量等于关断期间电感(din n)释放的能量。 on0i12tLUUNNiL 导通期间(qjin) 关断期间 off0tLUiL2. 2 正激APFC变换器精品资料 正激电路的缺点正激电路的缺点 正激变换器因为复位绕组的存在使变压器体积增正激变换器因为复位绕组的存在使变压器体积增加。加。 正激变换器的占空比不能太大（小于正激变换器的占空比不能太大（小于50%），会），会引起磁芯饱和引起磁芯饱和(boh)以及关断期间不能完成磁复以及关断期间不能完成磁复位。（通过减少复位绕组匝数解决，但会增加关断位。（通过减少复位绕

30、组匝数解决，但会增加关断期间开关管两端的电压）。期间开关管两端的电压）。 单管正激电路很少采用单管正激电路很少采用2. 2 正激APFC变换器精品资料图 2-6 双管 正激变换(binhun)电路2. 2 正激正激APFC变换器变换器精品资料2. 2 正激正激APFC变换器变换器 双管正激电路的特点双管正激电路的特点(tdin) 取消复位绕组，降低了变压器的体积和取消复位绕组，降低了变压器的体积和工艺要求。工艺要求。 开关管承受的电压降低（开关管承受的电压降低（ 电源电压和二电源电压和二极管的管压降）。极管的管压降）。 双管正激电路可靠性高（不存在直通问双管正激电路可靠性高（不存在直通问题），

31、结构简单，在中小功率开关电源中题），结构简单，在中小功率开关电源中应用比较普遍。应用比较普遍。精品资料工作原理工作原理Flyback电路是最简单的单级电路是最简单的单级PFC电路，长期以来是非常流电路，长期以来是非常流行的一种电路拓扑。变压器既是一种储能装置，又起到隔行的一种电路拓扑。变压器既是一种储能装置，又起到隔离变换的作用。对输入电路而言，离变换的作用。对输入电路而言，DC/DC变换器可等效为变换器可等效为一个受占空比控制的无损电阻，可使输入功率因数近似为一个受占空比控制的无损电阻，可使输入功率因数近似为1。Flyback电路因工作在电路因工作在DCM状态下，开关管的电流应力很状态下，开

32、关管的电流应力很大，同时由于以低于输入交流频率的频率进行大，同时由于以低于输入交流频率的频率进行PWM控制，控制，输出电压中含有很高的低频纹渡，除了特殊用途输出电压中含有很高的低频纹渡，除了特殊用途(yngt)一般不单独使用。一般不单独使用。2.3 反激（反激（Flyback）APFC变换器变换器精品资料2.3单端反激变换器单端反激变换器依据变压器二次侧能量在截止(jizh)期间是否完全传送出去，反激电路的工作状态分为两种： 电流连续 on1itNU 导通期间(qjin) 截止期间 off20tNU 由磁通平衡原理得：offon12iottNNUU精品资料2.3单端反激变换器单端反激变换器 电

33、流断续电流断续(dun x) 此时先求出电流断续此时先求出电流断续(dun x)发生发生时刻时刻onZTTNUtNU20on1iZT 求得oniZTUNNUNUT01102 输入电源在一个周期(zhuq)内提供的平均功率为：001221021IUfLDUtLUUTPiiTiAVGonfILDUUi012202 注意：反激电路不能开路，此时Uo 精品资料 反激电路特点：反激电路特点： 电路简单电路简单(jindn)。没有续流二极管和滤波储能电。没有续流二极管和滤波储能电感，不需要复位绕组（开关管关断期间，二次侧绕组完感，不需要复位绕组（开关管关断期间，二次侧绕组完成能量传递，同时完成磁复位）成能

34、量传递，同时完成磁复位） 输出电压纹波大。输出电压纹波大。(可以增大滤波电容，但会增加成可以增大滤波电容，但会增加成本和体积）本和体积） 主要用于主要用于100W左右的小功率电源，且对电源性能指左右的小功率电源，且对电源性能指标要求不太严格的场合。标要求不太严格的场合。2.3单端反激变换器单端反激变换器精品资料 反激变换器设计反激变换器设计(shj)存在的困难存在的困难 当反激电路工作于电流连续时，直流分量相当当反激电路工作于电流连续时，直流分量相当大，处理不当会造成磁芯饱和，功率管损坏。大，处理不当会造成磁芯饱和，功率管损坏。 为避免饱和，变压器磁芯应增加气隙。气隙的为避免饱和，变压器磁芯应

35、增加气隙。气隙的调整是一件麻烦的工作。因为气隙增加会使漏感调整是一件麻烦的工作。因为气隙增加会使漏感增加，而且自感减少（会影响到输出电压以及单增加，而且自感减少（会影响到输出电压以及单位时间能量的传输位时间能量的传输),因此，必须加以综合考虑。因此，必须加以综合考虑。 为防止开关管承受电压过大，占空比为防止开关管承受电压过大，占空比D不能太不能太大，一般为大，一般为0.30.4。占空比的减小，会影响到输。占空比的减小，会影响到输出电压减小。参数之间关系相互牵制，需要综合出电压减小。参数之间关系相互牵制，需要综合考虑。而正激电路与占空比无关。考虑。而正激电路与占空比无关。2.3单端反激变换器单端

36、反激变换器精品资料2.4 基于(jy)Flyback的全桥PFC变换器 PFC技术发展到今天已经逐渐融入到了许多优秀的变换器电路中。这些新的技术发展到今天已经逐渐融入到了许多优秀的变换器电路中。这些新的拓扑结构可以很好地抑制变换器输入拓扑结构可以很好地抑制变换器输入(shr)谐波，整定输人电流波形，同谐波，整定输人电流波形，同时又具有极好的输出特性，充分发挥时又具有极好的输出特性，充分发挥PFC电路和功率变换电路的优势。电路和功率变换电路的优势。 Boost电路作为电路作为PFC的优秀拓扑，它与全桥、推挽、半桥等拓扑的结合可的优秀拓扑，它与全桥、推挽、半桥等拓扑的结合可以获得性能良好的新型单级

37、以获得性能良好的新型单级PFC变换器拓扑。图变换器拓扑。图2-5所示电路为所示电路为Boost电路电路与全桥变换器合成的单级与全桥变换器合成的单级PFC电路。该电路可以实现对输入电路。该电路可以实现对输入(shr)电流波电流波形的整定，同时又可以应用于较大功率场台，发挥了全桥电路的优势。同时形的整定，同时又可以应用于较大功率场台，发挥了全桥电路的优势。同时，PFC电路还可以与其他电路结合，也能达到很好的效果电路还可以与其他电路结合，也能达到很好的效果精品资料精品资料 工作原理：当VT1、VT2同时导通时，相当于Boost PFC电路的开关S导通，电感L充电(chng din)；当VT1、VT4

38、或VT2、VT3同时导通时，相当于Boost PFC电路的开关S关断，输入电压和电感同时向负载供电。所以，变换器在工作原理上可以等效成基本的Boost PFC电路。精品资料倍流整流和同步(tngb)整流（补充）用倍流电路代替全桥整流或变压器副边的中心抽头电路，以减少导通损耗（低压场合）以及变压器工艺复杂性（2）输出端整流一般(ybn)用肖特基二极管（3）在低压输出场合（2V或更低）输出端整流用小功率低压MOS管代替肖特基二极管，因为小功率MOS管的压降更低，可以提高效率。（4）这种电路称做同步整流，而同步整流技术也成为低压大电流高频整流技术中不可或缺的部分精品资料图 2-8 倍频(bi pn)

39、整流电路图 2-8 同步(tngb)整流电路精品资料2.4 推挽推挽(tu wn)变换器变换器 与双管正激电路区别（从电路结构和两个开关管的驱与双管正激电路区别（从电路结构和两个开关管的驱动信号区分）动信号区分） 变压器磁芯工作在一三象限，即双向磁化。变压器磁芯工作在一三象限，即双向磁化。 工作原理工作原理 重新定义占空比重新定义占空比 在半个周期内开关管导在半个周期内开关管导通，通， 关断一次关断一次 。 分析分析VT1导通时，变压器副边二极管导通时，变压器副边二极管VD3导通，把导通，把一次侧能量传递一次侧能量传递(chund)给负载。给负载。 VT1截止后，变截止后，变压器经二极管压器经

40、二极管VD2复位，将复位，将VT1导通期间的励磁能量导通期间的励磁能量返回电源。此时变压器副边两个二极管（变压器漏感返回电源。此时变压器副边两个二极管（变压器漏感的原因）都导通，把变压器一、二次侧电压钳位为零。的原因）都导通，把变压器一、二次侧电压钳位为零。 2TtDon精品资料2.3 推挽(tu wn)变换器图 2-8 推挽(tu wn)式变换电路精品资料精品资料2.3 推挽(tu wn)变换器S1S2uS 1uS 2iS 1iS 2iD 1iS 2tonTtttttttt2 Ui2 UiiLiLOOOOOOOO图 2-9 推挽(tu wn)电路的理想化波形精品资料 on10i12tLUUN

41、NiL 输出电压推导：利用开关管导通期间电感储存的能量等于(dngy)关断期间电感释放的能量。 导通期间(qjin) 关断期间 on10off10-2tTLUtLUisL2.3 推挽变换器精品资料2.3 推挽推挽(tu wn)变换器变换器 当输出电感电流连续时当输出电感电流连续时 当输出电感电流不连续时，输出电压当输出电感电流不连续时，输出电压Uo将连续时的计算值，并随负载减小将连续时的计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下而升高，在负载为零的极限情况下 其它关系式其它关系式（1）开关管）开关管VT1(VT2)截止时承受的电压为截止时承受的电压为2Ui。为。为(适用于低输入适用于低

42、输入(shr)电压电压场合）场合）（2）整流管承受的电压为）整流管承受的电压为（3）与开关管并联的二极管承受的电压为）与开关管并联的二极管承受的电压为2Ui2on12ioTtNNUU12i2NNUUNNUoi21精品资料2.3 推挽推挽(tu wn)变换器变换器推挽式的优点：推挽式的优点： 电压利用率高。开关和交替工作，其输电压利用率高。开关和交替工作，其输出电压波形非常对称，并且开关电源在整出电压波形非常对称，并且开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出，个工作周期之内都向负载提供功率输出，因此，其输出电流瞬间响应速度很高，电因此，其输出电流瞬间响应速度很高，电压输出特性很好。推挽式变

43、压器开关电源压输出特性很好。推挽式变压器开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源，它在输入电压很低的情况下，仍能电源，它在输入电压很低的情况下，仍能维持很大的功率输出，所以维持很大的功率输出，所以(suy)推挽式推挽式变压器开关电源被广泛应用于低输入电压变压器开关电源被广泛应用于低输入电压的电路中。的电路中。 推挽式开关电源的两个开关器件有一个推挽式开关电源的两个开关器件有一个公共接地端，相对于半桥式或全桥式开关公共接地端，相对于半桥式或全桥式开关电源来说，驱动电路要简单很多，这也是电源来说，驱动电路要简单很多，这也是推挽式开关电源的一个优点推挽式开

44、关电源的一个优点 。精品资料2.3 推挽推挽(tu wn)变换器变换器 双极性磁化双极性磁化(chu)使得变压器，磁感应变化范围比单极使得变压器，磁感应变化范围比单极性大，变压器铁心不需要气隙，增加了电源的效率性大，变压器铁心不需要气隙，增加了电源的效率缺点：缺点：开关器件需要很高的耐压，输入电压两倍。开关器件需要很高的耐压，输入电压两倍。变压器有两组初级线圈，对于小功率输出的推挽式开关电变压器有两组初级线圈，对于小功率输出的推挽式开关电源是个缺点，对于大功率输出的推挽式开关电源是个优源是个缺点，对于大功率输出的推挽式开关电源是个优点点 。精品资料2.4 半桥电路半桥电路(dinl)图 2-1

45、0 半桥电路(dinl)原理图精品资料精品资料图 2-11 半桥电路(dinl)的理想化波形2.4 半桥电路(dinl)精品资料2.4 半桥电路半桥电路(dinl)工作过程 VT1导通时二极管，VD3处于通态， VD4截止，电感储能，电流增加。 VT1截止后，两个开关都关断时，一次侧电流VT2经并联的二极管VD2续流 ，由于VD2 的导通，一次侧电压变为负值，二极管VD4导通， VD3继续导通（变压器漏感) ，VD3和VD4都处于通态，各分担一半的负载电流，变压器绕组中的电流为零。 后半个周期的工作过程与之前相似，只是一次电压、电流反向(fn xin)，二次侧电压也反向(fn xin)。其数值

46、关系不变。 精品资料2.4 半桥电路半桥电路(dinl)输出电压输出电压 滤波电感滤波电感L的电流的电流(dinli)连续时，利用半个周期内电感电流连续时，利用半个周期内电感电流(dinli)的增的增加量与其减少量相等，得加量与其减少量相等，得 TtNNUUon12io输出电感电流不连续，输出电压Uo将高计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下2i12oUNNU其它关系式（1）开关管VT1(VT2)截止时承受的电压为Ui。为(适用于高输入电压场合）（2）整流管承受的电压为（3）与开关管并联的二极管承受的电压为Ui12iNNU精品资料2.4 半桥电路半桥电路(dinl)半桥电路半桥电路

47、(dinl)的偏磁现象及解决的偏磁现象及解决 半桥电路半桥电路(dinl)由于两个开关工作特性不同而由于两个开关工作特性不同而导致导通时间不对称，从而造成的变压器一次侧电导致导通时间不对称，从而造成的变压器一次侧电压出现直流分量。这种现象称为直流偏磁。直流谝压出现直流分量。这种现象称为直流偏磁。直流谝磁容易造成变压器饱和。磁容易造成变压器饱和。 通常通过在一次侧串联耦合电容解决。由于电容通常通过在一次侧串联耦合电容解决。由于电容的隔直作用，半桥电路的隔直作用，半桥电路(dinl)对由于两个开关导对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直

48、流分量有自动平衡作用。量有自动平衡作用。 注意电容选等效电阻小的，否则分压太大。因此注意电容选等效电阻小的，否则分压太大。因此耦合电容容量不能太大，通常选用无极性的薄膜电耦合电容容量不能太大，通常选用无极性的薄膜电容。容。精品资料2.5 全桥电路全桥电路(dinl)图 2-12 全桥电路(dinl)原理图 精品资料2.5 全桥电路全桥电路(dinl)S1S2uS 1uS 2iS 1iS 2iD 1iS 2tonTtttttttt2 Ui2 UiiLiLOOOOOOOO图 2-13 全桥电路(dinl)的理想化波形精品资料2.5 全桥电路全桥电路(dinl)全桥电路 工作过程 全桥电路中，互为对

49、角的两个开关同时导通，同一侧半桥上下(shngxi)两开关交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui的交流电压，改变占空比就可以改变输出电压。 当VT1与VT4开通后，VD5处于通态，电感L的电流逐渐上升。 当VT2与VT3开通后，VD6处于通态，电感L的电流也上升。 当4个开关都关断时， VD5 、VD6都处于通态，各分担一半的电感电流，电感L的电流逐渐下降。精品资料2.5 全桥电路全桥电路(dinl)输出(shch)电压 滤波电感电流连续时 TtNNUUon12io2 输出电感电流不连续，输出电压Uo将高于计算值，并随负载减小而升高，在负载为零的极限情况下 UNNUoi21精品资料2.5 全桥

50、电路全桥电路(dinl) 如果VT1、VT4与VT2、VT3的导通时间不对称，则交流电压uT中将含有直流分量，会在变压器一次侧产生很大的直流分量，造成磁路饱和(boh)，因此全桥电路应注意避免电压直流分量的产生，也可在一次侧回路串联一个电容，以阻断直流电流。 为避免同一侧半桥中上下两开关同时导通，每个开关的占空比不能超过50%，还应留有裕量。 精品资料电路优点缺点功率范围应用领域正激电路较简单，成本低，可靠性高，驱动电路简单变压器单向激磁，利用率低几百W几kW各种中、小功率电源反激电路非常简单，成本很低，可靠性高，驱动电路简单难以达到较大的功率，变压器单向激磁，利用率低几W几十W小功率电子设备

51、、计算机设备、消费电子设备电源。全桥变压器双向励磁，容易达到大功率结构复杂，成本高，有直通问题，可靠性低，需要复杂的多组隔离驱动电路几百W几百kW大功率工业用电源、焊接电源、电解电源等半桥变压器双向励磁，没有变压器偏磁问题，开关较少，成本低有直通问题，可靠性低，需要复杂的隔离驱动电路几百W几kW各种工业用电源，计算机电源等推挽变压器双向励磁，变压器一次侧电流回路中只有一个开关，通态损耗较小，驱动简单有偏磁问题几百W几kW低输入电压的电源表 2-1 各种不同的间接直流变流电路(dinl)的比较精品资料 随着PFC的应用普及，APFC电路拓扑日渐成熟。但关于APFC的控制策略的研究目前仍然十分活跃

52、，这从侧面反映出该领域还有许多问题尚待解决。APFC技术的每一种控制策略都有其各自的优势和不足，本章介绍几种常用的APFC控制策略，对比分析各自的优缺点和适用场合，并指出APFC控制技术的发展趋势。 前文提到，根据功率因数校正用电感电流是否连续(linx)，APFC可分为电流连续(linx)模式( CCM)和电流断续模式(DCM)。以及介于两者之间的电流临界模式(BCM)。有的电路还根据负载功率的大小，使得变换器在DCM和CCM之间互相转换，称为混联模式( MCM)。当变换器工作在不同的导通模式时，其功率因数校正的控制方法完全不同。第3章APFC控制策略精品资料4.1 CCM4.1 CCM控制

53、策略控制策略CCM模式下的电流控制是目前应用最多的控制方式。CCM模式下有直接电流控制和间接电流控制两种方式。直接电流控制是直接选取瞬态电感电流作为反馈量和控制量，其优点是电流的瞬态特性好，自身具有(jyu)过电流保护能力，但是需要检测瞬态电流，控制电踣稍显复杂；间接电流控制是通过控制整流桥输入端电压来间接实现对电流的控制，其优点是结构简单，开关机理清晰。在CCM模式下，直接电流控制是应用最多的方式，它也是发展的主流，适用于对系统性能要求较高的大功率场合。精品资料精品资料（一）峰值（一）峰值(fn zh)电流控制电流控制精品资料峰值电流控制属于定频控制。每一开关周期开始时MOS管导通，电感电流

54、线性增加，然后将电感电流 的检测信号与参考信号相比，当电感电流检测值等于电感电流参考值时，MOS管关断，电感电流减少，当电感电流降为零时，MOS管再导通，如此周而复始。电感电流的参考信号由系统输出电压检测值与给定值相减，再经由PI调节器，然后将PI调节器的输出与整流桥后端的boost电路输入电压波形相乘得到(d do)。由于电感电流参考信号由电压反馈环决定，当系统稳定工作时电感电流的包络基本为正弦波。精品资料峰值电流控制的斜坡补偿峰值电流控制的斜坡补偿（1）在）在 电源电源 电电 压压 过零过零 附近加在附近加在 电感电感 两两 端端 的电压的电压 很小很小 , 需要需要 较长的开通较长的开通

55、 时时 间间 , 才能才能 达达 到到 电流基电流基 准准 , 而又而又 由于定由于定 频时钟周期频时钟周期 的的 限制限制 , 从从 而使而使 电感电感 电流电流 在在 开开 关关 周周 期期 内不可能内不可能 达到达到 电电 流基流基 准准 。 在在 这这 些开关些开关 周周 期期 内内 , 电流工作在电流工作在 不不连连 续模式续模式 ( D C M ) 。（2）斜坡补偿相当于在电感电流中加入）斜坡补偿相当于在电感电流中加入一个斜波信号，亦或在参考信号减去一个一个斜波信号，亦或在参考信号减去一个斜波信号，从而来增加导通时间，使其电斜波信号，从而来增加导通时间，使其电流达到基准值。流达到基

56、准值。（3）斜坡补偿要得当，同时也会带来失）斜坡补偿要得当，同时也会带来失真、功率因数真、功率因数(n l yn sh)下降等问下降等问题题精品资料只有一个电压环，输入电流的峰值包络线跟踪(gnzng)输入电压波形。优点：简单易于实现（芯片L6561/6562，ML4812，4819等）缺点：（1）占空比受输出电压和电感电流共同作用，超过50% 容易不稳定 （2） 当交流电网电压从零上升到峰值电压时，占空比也由 最大值变至最小值，因此有可能产生高次谐渡振荡。为克 服这 一缺点，必须在比较器的输人端增加一个斜率补偿（ 或称斜坡补偿）函数，以便在占空比广泛变化内，电路能 稳定工作。 （3）电流峰值

57、和平均值之间存在误差，有些条件下还很大 ，以至于无法满足THD很小的要求 （4）电感电流的峰值对噪声变化相当敏感。总结：这种方法在APFC控制中逐渐被淘汰。精品资料（二）平均（二）平均(pngjn)电流控制电流控制精品资料 平均电流控制中的电流环有较高的增益带宽，它使跟踪 误差产生的畸变很小，容易实现接近于1的功率因数。同时对噪声不敏感(mngn)、稳定性高，因而得到了广泛的应用。以平均电流控制原理设计的PFC集成控制器常用的有UC3854，在单相Boost型电路得到了普遍应用。其他平均电流型控制IC有TDA4819，C33368、ML4821等精品资料( (三三）滞滞环环控控制制精品资料滞环

58、控制特点： (1)控制简单、电流动态响应快、具有内在的电流限制能力； (2)开关频率在一个工频周期中不恒定，引起EMI的问题和电流过零点(ln din)的死区。 (3)负载对开关频率影响很大，滤波器只能接最低频率设计，因此不可能得到体积和重量最小的设计； (4)滞环宽度对开美频率和系统性能影响大，需合理选取。控制IC有CS3810等精品资料 DCM控制的方法(fngf)又称为电压跟踪法，是APFC控制中一种简单而又实用的方法(fngf)，应用较为广泛。升压变换器的电压“跟随”特性在每 一开关周期内,流过电感的平均电流 稳态时，D和T不变，电感电流平均值和输入电压成正比，输入电流平均值能够自动“

59、跟踪”输入电压呈正弦波，因此不再需要输入电流控制环。精品资料精品资料（一）基于(jy)3842的恒频控制此控制方式的主要优点是控制电路简单，缺点是输入功率因数的理想值不能达到(d do)1，输出电压与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。精品资料（一）基于3852的变频(bin pn)控制精品资料与电流(dinli)连续（CCM）的不同之处在于把乘法器换成加法器（因为电流(dinli)断续，不用乘法器）功率管可实现零电流(dinli)开通，同时不需要连续导通模式那样复杂的控制回路，使用通常的PWM控制就可实现。由于不连续导通模式的控制电路简单

60、，成本低，因此非常适合在数百瓦的小功率领域应用；应用于数千瓦的大功率电力电子装置时，输人EMI和半导体器件的电流(dinli)应力较大。分恒频和变频两种控制方式精品资料4.3 APFC的新型控制策略（单周期(zhuq)控制）精品资料每个时钟脉冲到来时，S1断开积分(jfn)器开始积分(jfn)，当两者相等时，比较器翻转，输出低电平，S1闭合，积分(jfn)器开始复位。常用芯片为IR1150精品资料APFC的发展趋势寻求更加简化的控制策略、降低PFC成本、减小THD和EMI、降低器件开关应力、提高整机效率仍然是今后APFC控制策略的发展趋势。中大功率的电力电子设备在电网中占有很大比重，因此，三相