电气工程课程设计-有源功率因数校正器的设计和仿真 学院：自动化专业：电气工程及其自动化 班级：08081902 姓名：项泽宇 学号：0808190248 指导老师：李磊 日期：2011/9/8 同组人：彭文耀、毛一明张希萌、马啸 一、功率因数校正技术的发展与现状 近20年来电力电子技术得到了飞速的发展，已广泛应用到电力、冶金、化工、煤炭、通讯、家电等领域。其中大量含ACDC的电力电子装置的使用，电力电子装置多数通过整流器与电力网接口，经典的整流器是由二极管或晶闸管组成的一个非线性电路，在电网中产生大量电流谐波和无功污染了电网，成为电力公害，引起了人们的广泛重视，有关部门也作出了相应的规定，以限制其危害程度。20世纪90年代以来，世界上许多国家和国际组织都对电力电子产品的功率因数及谐波成分作了限制 。1982年，世界标准组织规定了IEC5552技术标准以限制电网线路频率的每种谐波所允许的电流含量。IEC555-2规定了每次谐波不能超过15次且电流值在安全范围内。 表11列出了对IEC555.2所记录的各次谐波的要求。 IEC5552规范分为两部分，即相对失真和最大绝对失真的限制。两种限制适用于所有设备。 由于IEC555-2标准的强制规定，以及国际学术界和产业界的共同努力，极大地推动了PFC技术的发展。早在1980年代末就有关于PFC技术的研究报道，1989年在IEEE上发表的题为“A study ofpower factor correction techniques for high powerAC locomotives”的文章是本文所查到的与PFC技术相关的最早文献。在80年代末国际上出现了PFC研究热潮，许多学术会议都安排了APFC的专题演讲与讨论APFC方面文章不断涌现。自1990年至1999年，在IEEE上搜索的关于PFC的文章近100篇。自2000年来，APFC方面的文章也在不断的增加，在IEEE上搜索的关于PFC的文章也百余篇，各种实现APFC的方法和理论也不断的创新。 表I1 IEC555.2各次谐波要求 从论文内容的分布情况看，主要局限于对PFC的拓扑研究(包括单级式、级联式、并联式、升压式、降压式、Boostbuck升降压式和flyback反激式等)、控制方式的研究(包括迟滞电流控制、峰值电流控制、平均电流控制、电荷控制等)以及软开关技术的应用(包括ZVT PFC和ZCT PFC)，涉及有关PFC的分析、建模和仿真的文献也再不断地增加。PFC作为一种多变量、非线性、时变的双环控制系统，其理论分析较为困难，这更加需要进行深入研究。 在应用方面，PFC技术由理论研究迅速发展到实用化、商品化，由分立组件发展到集成电路，目前国际上已有Unitrode的PFC控制IC(集成电路)，它们都有UC3854AB、UC3855AB、UCC3857、UCC3858等，这些控制芯片主要应用领域包括开关电源、UPS、电子镇流器、电焊电源、电机驱动电源和程控机电源等，输出功率已达到10 KW以上。 国内在该领域的研究相对较为迟缓，经本文查阅，91年才有PFC的专题综述性文章出现。93年机电部委托专家做出调查、论证，就制定有关标准的必要性和“九五”组织PFC技术攻关提出建议，94年有关学会开始组织了PFC技术的专题研讨会。在PFC技术的应用方面，近几年做出TPFC电子镇流器样机。功率因数PF=099，电流谐波畸变率THD10的PFC电源电路也做到输出功率为2KW，技术指标较高。但总的来说，目前国内的PFC技术仍处于学习、试验阶段。 二、功率因数校正器电路实现方案为了使电力电子产品的功率因数及谐波成分满足上述的规定和标准，可在整流桥和滤波电容之间加一级用于功率因数校正的功率变换电路，使输入电流为正弦波，从而提高功率因数，这就是有源功率因数校正技术。有源功率因数校正（Active Power Factor Correction，简称APFC）技术由于变换器工作在高频开关状态，而具有体积小、重量轻、效率较高、输人电压范围宽、THD小和功率因数高等优 点，因此在现代电力电子技术中得到了广泛的应用。有源功率因数校正又有分立元器件和集成电路构成之分，由分立元器件和集成电路组成的有源功率因数校正电路又有许多不同的电路形式，而由于采用集成电路组成的有源功率因数校正电路具有工作可靠、使用性能好等一系列优点，所以集成电路组成的有源功率因数校正电路广为采用。有源功率因数校正技术分类(1) 降电压输出式：因工作噪声大、滤波困难、功率开关管上电压应力大、控制驱动电平浮动，很少被采用。(2) 升/降电压输出式：需要两个功率开关管，有一个功率开关管的控制驱动信号浮动，电路复杂，较少采用。(3) 反激式：输出与输入隔离，输出电压可任意选择，用简单电压型控制，适用于150W以下电源或电子镇流器的功率因数校正场合。(4) 升压（boost）输出式：用简单电流型控制，具有PF值高，总谐波起边率（THD）小，效率高的有点，但是输出电压高于输入电压。它适用于75-2000W功率范围的功率因数校正应用场合，应用最为广泛。 如果按照控制输入电流的工作原理分，有源功率因数校正又可分为： （1）平均电流型：工作频率固定，输入电流连续。 （2）滞后电流型:工作频率可变，电流达到滞后带内发生功率开关通与断操作，使输入电流上升下降。电流波形平均值取决于电感输入电流波形。 （3）峰值电流型：工作频率变化，输入电流不连续。 （4）电压控制型：工作频率固定，输入电流不连续。 设计一个有源功率因数校正电路需要考虑的因素很多，例如电路工作的可靠性、效率、体积和性价比等因素，尽管从理论上讲有很多有源功率因数校正技术方案可供使用，但实际应用情况来看，真正实用的有源功率因数校正电路拓扑结构也就不过是一两种。对较大功率的应用场合而言，比较常用的有源功率因数校正技术方案是工作于连续导通工作模式的（CCM）升压输出有源功率因数校正电路拓扑结构和升压输出的平均电流型控制（ACMC）的有源功率因数校正电路拓扑结构。对于较低功率功率应用场合，常采用工作于临界导通模式（CRM）的升压输出有源功率因数校正电路拓扑结构。由于有源功率因数校正电路的应用范围不断扩大，对各种不同电路结构形式的有源功率因数校正电路形式的需求也在不断增加，许多具体工程应用实例中的有源功率因数校正电路是已有电路形式的扩展和改进，并且出现了一些崭新的有源功率因数校正技术。 本章对有源功率因数校正电路进行了详细的分析。基于对有源功率因数校正电路的双级式和单级式结构的特点比较，本文将采用双级式的电路结构。对选择的作为有源功率因数校正电路的功率级主电路一Boost变换器的组成、工作过程作简要介绍；对相应的有源功率因数校正电路工作模式及控制方法作了比较分析，在此基础上提出本文将采用连续导通模式平均电流控制。本文采用UC385作为有源功率因数校正电路的控制芯片，对该芯片的工作原理及各引脚功能作了介绍，对控制部分的控制输入、乘法器、电压环和电流环部分进行了详细的分析。 1、有源功率因数校正主电路方案比较 APFC主电路的电路结构有如下图所示的双级式和单级式两种。其中，双级式电路由升压有源功率因数校正和DCDC变换器级联而成，中间母线电压一般稳定在400 V左右，前级实现有源功率因数校正，后级实现隔离和降压。双极式电路的优点是每级电路可单独分析、设计和控制，特别适合作为分布式电源系统的前置级。单级式电路集有源功率因数校正、输出隔离和电压稳定于一身，结构简单、效率高，但分析和控制较复杂，适用于中小功率的单一集中式电源系统。本文将采用双级式的电路结构。 从原理上讲，任何一种DCDC变换器拓扑，如Buck、Buck-Boost、Flyback、Cuk、Sepic、DualSepic等拓扑均可作为有源功率因数校正的主电路。Boost电路更为广泛地应用于有源功率因数的校正该部分对Boost变换器的组成、工作过程作简要介绍；对相应的有源功率因数校正电路工作模式及控制方法作比较分析，在此基础上提出本文将采用的工作模式和控制策略。（1）Boost变换器的组成APFC主电路采用Boost变换电路如图23所示整个电路由电感L，二极管D、电容C、电阻R和MOS开关管G组成，完成从Vi到Vo的升压过程。 这里认为： a）开关管、二极管均是理想组件。“导通”时压降为零，“截止”时漏电流为零； b）电感、电容是理想组件。即电感工作在线性区，寄生电阻为零，电容的ESR(等效串联电阻)为零； c）输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到允许忽略。 （2）Boost变换器工作过程Boost电路的工作过程可由图2.4和图2.5加以说明。 当开关管G闭合(导通)时，如图2.4所示，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，电能以磁能形式储在电感线圈L中。此时，电容C放电，R上流过电流Io，R两端为输出电压Vo，由于开关管导通，二极管承受反压。所以电容不能通过开关管放电。 如图2.5所示，开关管G断开时，线圈L中磁场的改变，使线圈L两端感应的电压力求保持iL不变。这样线圈L两端的电压与电源串联，以高于Vo的电压向电容C，负载R供电。当高于Vo时，电容有充电电流：等于Vo时，充电电流为零；当低于V。时，电容向负载R放电，维持Vo不变。输入电流fL是连续的，但流经二极管D的电流是脉动的，滤波电容C使负载R上仍有稳定、连续的负载电流Io。 （3）有源功率因数校正电路的工作模式及控制方法 根据Boost变换主电路中电感电流是否连续，APFC可分为不连续导通模式(DCM)和连续导通模式(CCM)。相对于DCM模式，CCM模式有以下优点： a）输入和输出电流纹波小、THD和EMI小、滤波容易。 b）器件导通损耗小。 c）适用于大、中功率应用场合。 DCM的控制可以采用恒频、变频、等面积等多种方式。DCM的控制方法又称电压跟踪法，它是APFC中简单而实用的一种控制方法，应用较为广泛。DCM模式的特点是： a）输入电流自动跟踪电压并保持较小的电流畸变率。 b）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。 c）输入输出电流纹波较大，对滤波电路要求高。 d）峰值电流远高于平均电流，器件承受较大的应力。 e）单相APFC功率一般小于200 W，三相APFC功率一般小于10KW。 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，有间接电流控制和直接电流控制之分。间接电流控制是指通过控制整流桥输入端电压的方式来实现电流的控制。该控制方式存在以下缺点： a）自身无限流功能，需另加过流保护电路。 b）系统暂态过渡时电流中会出现直流分量。 C）系统动态响应慢，因而影响了CCM在APFC中的应用。 CCM模式下的直接电流控制策略是目前应用最多的控制方式，它来源于DCDC变换器的电流控制模式，这种模式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