有源滤波对开关电源功率因数进行校正

东北石油大学本科生毕业设计（论文）MACROBUTTONMTEditEquationSection2SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\r1\h摘要开关电源是实现电能转换和功率传递的重要设备。近年来，随着电力电子技术的快速发展，开关电源因其效率高、性能好、成本低而被广泛应用于国民经济的各个领域，并取得了显著的效益。因此研究设计一款性能稳定、可靠性高的开关电源具有极高的科研意义和商业价值[1]。本文对Boost型功率因数校正技术进行了分析、设计和研究。详细分析了有源功率因数校正器的基本工作原理，通过比较几种不同拓扑的PFC变换器主电路的优缺点，和比较控制电路的几种不同控制方法的优缺点，明确本文所要研究的对象为平均电流控制（ACM）的Boost型功率因数校正器。在此基础上对Boost主电路和控制电路进行数学建模，得出其状态方程和传递函数，运用仿真软件MATLAB中的Simulink工具，建立了Boost主电路和控制电路的Simulink仿真模型，并得出其仿真结果。本文根据Boost变换器的特点和要求，设计了一个具体、实用的带PFC功能的开关电源电路，并给出了具体设计步骤和电路参数的计算。平均电流控制的单相Boost功率因数校正电路，完全能够达到整流、高输入功率因数、升压、稳压、低纹波的目标，具有广阔的应用前景。关键词：功率因数校正；Boost变换器；仿真

AbstractSwichingpowersupplyisanimportanttoachievePowerconversionAndPowerdelivery.Inreeentyears，Swichingpowersupplyiswidelyusedinvariousefieldofnationaleconomywiththedevelopmentofpowerelectronicetechnology,andachieveingremarkableresult,becauseofitshigheffieieney,goodperformanceandlowcost.SodesigningakindofSwitchingPowersupplywithsteadyPerformanceandhighreliabilityhashighseientificandcommercialvalues.BasedonthesummaryofthefruitsoftheresearchoftheActivePowerFactorCorrection,thePFCsystem,whichadoptsBoostpowerconvertercircuitandAverageCurrentModecontrolscheme,iswellstudiedinthisthesis.Accordingtotheprincipleandthediscussionofthesingle-phaseactivepowercorrection,concludingdifferentstructuresofthemaincircuitandmethodsofthecontrollers,thePFCsystem,whichadoptsBoostpowerconvertercircuitandAverageCurrentModecontrolschemeisindicatedasthedevelopingdirectionofPFCandregardedasPFCsystemstructure.Then,thestatedifferentialequationsofidealBoostconverterandthegeneraltransferfunctionsofPWMconverterarededucedandthesimulationmodelsofidealconverterareshowedusingMATLAB.Besides,wedesignapracticalcircuitwiththefunctionofPFC,givingdiscretedesignstepsandthecalculationofthecircuitparameters.Finally,wecanconcludethatthePFCsystemwhichadoptsBoostpowerconvertercircuitandAverageCurrentModecontrolschemecanachievegoodperformance,whichcanbeusedwidelyinthefuture.Keywords:PFC(powerfactorcorrection);Boostconverter;Simulation目录TOC\o"1-2"\h\z\u第1章绪论 )f（6）求RR3.3本章小结本章确定了本文的研究对象为平均电流控制的Boost型APFC电路，并对主电路的参数进行了设计，对控制电路的主要环节进行了建模和参数计算，至此完成了基于UC3854控制芯片Boost型APFC系统主电路、控制电路及外围电路的设计，我们可以依照这些参数设计APFC的仿真模型。

第4章APFC电路的仿真分析4.1MATLAB简介MATLAB是一种以矩阵为基础的交互式程序计算语一言。它采用开放性开发的思想，在图形表达、解决科学和工程上复杂的数学问题、自动控制以及信号和图像处理方面具有强大的功能，己发展成为适合各种平台的多功能的大型软件。由于操作方便、使用简单，因此收到越来越多用户的喜爱和欢迎，成为国内外教育教学和科学研究的最常用的软件之一。1990年基于框图的仿真平台Simulink首先在Mathworks软件公司面世。Simulink是一中实现动态系统建模仿真和分析的集成软件包，包含了线性系统、非线性系统和离散系统的仿真。用simuhnk对系统和电路进行仿真研究，能弥补非线性化带来的问题。Simulink仿真环境也成工具箱，包含Simulink仿真平台和系统仿真模型库两部分。在Simuhnk仿真环境下，可以用点击拖动鼠标的方式来绘制和组织系统电路来完成仿真研究，同时系统的函数和电路元器件都可以用框图来表达，框图之间的连线则表示了信号流动的方向。为了验证第三章所设计APFC电路对电流的校正效果，本文采用Matlab6.5平台进行了仿真验证。Matlab是美国MathWorks公司推出的一种基于矩阵计算的科学计算软件，它采用了开放性开发的思想，在数值计算、图形处理、数据分析及工程设计仿真等方面的应用极其广泛，它内建了丰富的库函数，具有编程效率高、程序设计灵活、图形功能强等特点。已经发展成为适合多学科、多种工作平台的功能强大的大型软件。Matlab产品是集数值计算、高级绘图及可视化、高级程序开发语言和动态系统建模仿真于一体的开发环境。被广泛应用于包括信号处理与图象处理、控制系统设计、电力系统设计、财务、医药等诸多领域。Matlab的一大特性是有众多的面向具体应用的工具箱，包含了完整的函数集，用于对信号图象处理、控制系统设计、电力系统分析设计等。Matlab工具箱是一系列专用的函数库，解决特定领域的问题，工具箱是开放的可扩展的，可以根据特殊的需要开发自己的算法。Matlab提供的Simulink是一个用来对动态系统进行建模仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统。形成了一系列规模庞大、覆盖面极广的工具箱，包含了控制理论、电力系统、信号处理等大量现代工程技术学科。Simulink为用户提供了图形化建模的接口，它与传统的仿真软件包用微分方程和差分方程建模相比，具有更直观、方便、灵活的优点。Matlab/Simulink中的电力系统工具箱SPB中包括了电路仿真所需的各种元件模型，包括有电源模块、基础电路模块、电力电子模块、电机模块、连线器模块、检测模块以及附加功率模块等七种模块库。每个模块库中包含各种基本元件模型，如电源模块中有直流电压、电流源，交流电压源、电流源，受控电压源、电流源等五种电源模型；电机模块库中包含了各种电机模型，如异步电动机、同步电动机、水磁同步电动机等；电力电子模块库包含了理想开关元件、晶闸管、功率场效应管、可关断晶闸管等多种功率开关元件模型。只需将模块中的元件拖到Simulink窗口中，通过参数设置对话框设置参数就可以实现电力电子电路的仿真。本章采用Matlab/Simulink中的电力系统工具箱模块对所设计的APFC电路进行了仿真。4.2APFC主电路的仿真4.2.1主电路的原理图采用状态方程法来推导Boost电路的数学模型。图4-1为基本Boost型变换器的主电路。为了确定开关管和二极管的工作状态，引入二进制变量A，当开关S导通时，A=1；当开关S截止时，A=0。这样，变量A就可以代表开关管和二极管的状态，它是二进制变量，取值{0，1}[14]。SSLVDCR+-++-图4-1基本Boost型变换器电路当开关管S导通时，A=1，则LdiLdt=Ui，即duc=-RCduCdt，即du当开关管S截止时，A=0，则有/diLdt=1L

iL=iD=Cduc将方程（4-1）~（4-4）联立，运用二进制变量A，由逻辑代数运算规则，可得到一个开关周期内的状态方程。diLdt=UiL即得Boost主变换电路的状态方程：

diLdt=1L(Ui-ucA)4.2.2主电路的Simulink模型根据式（4-7）、（4-8）运用MATLAB里的Simulink模块[15]16]，即可建立Boost变换电路的仿真模型，如图4-2所示，这里输入变量是、A、R，输出是、。图4-2Boost主电路的Simulink模型4.2.3主电路仿真结果图4-3D=0.5时的控制波形图4-4电感电流波形图4-5电容两端电压启动波形图4-6电容两端电压稳态波形仿真参数取电感L=0.5mH，电容C=0.96mF，负载电阻R=100。当输入电压=200V，导通比为D=0.5时，电感电流（输入电流）、电容电压（输出电压）的波形如图4-4、4-5、4-6所示。由此可见，当导通比D=0.5时，输入输出电压关系式符合Boost电路输入与输出的关系式。纹波小于0.5。4.3Boost型APFC电路的仿真4.3.4APFC电路仿真模型图4-7Boost型APFC的仿真模型 图4-8UniversalBridge子系统图图4-9Subsystem子系统图根据第三章对主功率电路和控制电路的分析与计算可知，乘法器和电压、电流调节器的设计是整个APFC电路的核心部分，整体的仿真框图如图4-8所示，APFC的主功率电路是基于Boost型升压电路设计的，UC3854包含了乘法器和电压、电流环调节器等，UC3854的输出用来驱动功率MOSFET，通过改变其占空比来强迫输入电流跟踪输入电压，达到单位功率因数输入的目的。4.3.2APFC电路仿真结果分析根据前面分析与计算电流调节器的参数选定为，，，。电压调节器的参数选定为。仿真所用的电路参数为：电感L=0.5mH，输出电容C=0.96mF，开关频率，电网频率，。对功率因数校正前后的系统进行仿真。图4-10未加APFC电路时输入电压、电流波形图4-11加入APFC后输入电压、电流波形图4-10为未经APFC时系统网侧输入电压和输入电流波形，很显然，其输入电流发生严重畸变，呈窄脉冲状，电流的畸变由于电网阻抗反过来影响电网电压，造成总谐波畸变增大，输入功率因数低。可以看出，与系统加APFC电路时相比，网侧输入电流由窄脉冲波形变成严格的正弦电流波形，且与输入电压同相位。图4-11表示Boost变换器输入电压与输入电流波形。其中，上面波形为变换器输入电压波形，即交流输入电压经全波整流的输出电压。下面波形为变换器输入电流波形，即升压电感电流波形。由图可知，电压、电流波形为严格的正弦波形，且为同频同相。APFC使用时，Boost变换器可看作一个纯电阻。 图4-12加APFC整流后输入电压、电流波形图4-13未加APFC时输入功率因数波形图4-14加APFC后的输入功率因数波形图4-15未加APFC时的输入电流的总谐波畸变图4-16加APFC后的输入电流总谐波畸变图4-17加APFC后的输出电压波形将图4-13与图4-14比较，明显可看出功率因数校正前后系统输入功率因数平均值约由0.789提高到0.998左右。将图4-15与图4-16相比较，可看出输入电流的总谐波畸变率由原来的约0.76左右降为接近为零。输入端总谐波畸变率明显的减小，输入功率因数明显的提高，从图4-17看出输出直流平均电压为400V左右，输出电压较稳定，实现400V直流输出的要求，达到较为满意的效果。4.4APFC电路的优化设计Vi~L负载CRVDVo+SVi~L负载CRVDVo+S图4-18带中心抽头的三点式电感Boost主电路PFC拓扑结构图4-19Boost型APFC的仿真模型根据第三章对主功率电路和控制电路的分析与计算可知，乘法器和电压、电流调节器的设计是整个APFC电路的核心部分，整体的仿真框图如图4-8所示，APFC的主功率电路是基于Boost型升压电路设计的，UC3854包含了乘法器和电压、电流环调节器等，UC3854的输出用来驱动功率MOSFET，通过改变其占空比来强迫输入电流跟踪输入电压，达到单位功率因数输入的目的。图4-20未加电感时输入电压、电流波形图4-20为未加三点式电感时的系统网侧输入电压和输入电流波形，很显然，其输入电流发生严重畸变，呈窄脉冲状。图4-21表示加入三点式电感Boost变换器输入电压与输入电流波形由图可知，电压、电流波形为严格的正弦波形，且为同频同相。图4-21加入电感后输入电压、电流波形 图4-22未加三点式电感时的总畸变率波形图4-23加入三点式电感后的总畸变率波形图4-24未加三点式电感整流后输入电压、电流的波形图4-25加入三点式电感整流后输入电压、电流的波形将图4-22与图4-23比较，明显可看出输入电流的畸变率降低了，从0.6降低到0.23。输入端总谐波畸变率明显的减小，输入功率因数明显的提高，实现能源的“绿色化”，达到了技术指标要求。将图4-24与图4-25相比较，可看出输入电压、电流不再发生畸变，呈正弦波的形状。仿真结果证明：Boost型APFC实验装置可以达到预期效果，实现输入电流的整形，输出电压稳定，保证输入功率因数PF=1。4.5本章小结本章主要介绍了Boost主电路和APFC系统的仿真模型，并对其波形进行了分析，仿真结果验证了本文的设计符合功率因数校正的要求，其仿真模型的建立是正确的。此外本章还采用三点式电感对Boost电路进行了优化，减小了由于VD反向恢复过程中会产生的过大，使得输入电流波形比较平滑。结论本文介绍了有源功率因数校正的基本原理，并对其主电路拓扑和控制方法进行了比较分析，最终确定了本文的研究对像为平均电流控制的Boost有源功率因数校正电路。（1）通过建立Boost主电路的状态方程，并利用MATLAB/Simulink仿真模块建立其仿真模型，利用波形分析验证了该模型是完全正确的。（2）搭建了APFC的Simulink仿真模型，实现了功率因数校正的目的，同时也满足了课题的要求，验证了本次设计的正确性。（3）针对输入电流尖峰脉冲问题，设计了优化方案，即带抽头的三点式电感的主电路拓扑结构，有效地解决了电流尖端脉冲问题。根据仿真结果证明本文设计的单相Boost型功率因数校正电路，完全能够达到整流、高输入功率因数、升压、稳压的目标。参考文献[1]杨旭，王兆安．开关电源技术[M]．北京：机械工业出版社，2006：253-277，367-400[2]周志敏，周纪海，纪爱华．开关电源功率因数校正电路设计与应用[M]．北京：人民邮电出版社，2004[3]杨倩，牛鸣德．有源功率因数校正技术综述[J]．中国西部科技，2007年第9期：29-32[4]K．H．Liu，Y．L．Lin．CurrentWaveformDistortioninPowerCorrectionCircuitsEmployingDiscontinuous-ModeBoostConverters．PESC，1989：825-829[5]王兆安，黄俊．电力电子技术[M]．北京：机械工业出版社，2000[6]叶斌．电力电子应用技术[M]．北京：清华大学出版社，2006：58-63[7]杨荫福，段善旭．电力电子装置及系统[M]．北京：清华大学出版社，2006：46-50[8]朱方明，余建刚.有源功率因数校正技术及应用.现代电子技术[J]．2000年第1期：40~42[9]傅小帆．单相Boost有源功率因数校正技术的研究[J]．贵州大学硕士学位论文．2006：20-66[10]Domingo，S．L．Simonetti，JavierSebastianandJavierUceda.ControlConditionstoImproveConductedEMIbySwitchingFrequencyModulationofBasicDiscontinuousPWMPreregulator．PESC，1994：1180-11