开关电源有源功率因数校正电路的设计与仿真研究_毕业设计论文

开关电源有源功率因数校正电路的设计与仿真研究
摘要
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
Abstract
Based on the summary of the fruits of the research of the Active Power Factor Correction, the PFC system, which adopts Boost power converter circuit and Average Current Mode control scheme, is well studied in this thesis.
According to the principle and the discussion of the single-phase active power correction, concluding different structures of the main circuit and methods of the controllers, the PFC system, which adopts Boost power converter circuit and Average Current Mode control scheme is indicated as the developing direction of PFC and regarded as PFC system structure.
Then, the state differential equations of ideal Boost converter and the general transfer functions of PWM converter are deduced and the simulation models of ideal converter are showed using MATLAB.
Besides, we design a practical circuit with the function of PFC, giving discrete design steps and the calculation of the circuit parameters.
Finally, we can conclude that the PFC system which adopts Boost power converter circuit and Average Current Mode control scheme can achieve good performance, which can be used widely in the future.
Key words: PFC (power factor correction); Boost converter; Simulation
目录
第1章绪论 (1)
1.1 课题研究意义 (1)
1.2 功率因数 (1)
1.3 功率因数校正方法 (2)
1.4 本文所做的主要工作 (4)
第2章有源功率因数校正技术 (5)
2.1 APFC原理 (5)
2.2APFC技术分类 (6)
2.3有源功率因数校正的主电路拓扑 (6)
2.4有源功率因数校正技术的工作模式 (7)
2.5有源功率因数校正技术的控制策略 (9)
第3章APFC电路的设计 (14)
3.1APFC电路的选择 (14)
3.2APFC电路的参数设计 (15)
3.3本章小结 (20)
第4章APFC电路的仿真分析 (21)
4.1MATLAB简介 (21)
4.2APFC主电路的仿真 (22)
4.3Boost型APFC电路的仿真 (25)
4.4APFC电路的优化设计 (30)
4.5本章小结 (33)
结论 (34)
参考文献 (35)
致谢 (36)
第1章 绪 论
1.1 课题研究意义
随着电子科学技术的发展和应用，电子设备的种类越来越多，其中电源已经成为这些电子设备不可缺少的一部分。

同时，它们对电源的要求也越来越高。

近年来，开关电源以效率高，功率密度高，电压调整率高，体积小，重量轻等诸多优点而在电源领域中占据主导地位。

然而，开关电源多数是通过整流器与电力网相接的，经典的整流器是由二极管或晶闸管组成的非线性电路。

这样就造成开关电源的输入阻抗呈容性，网侧输入电压和输入电流间存在较大相位差，输入电流严重非正弦，并呈脉冲状[1]，故功率因数极低，谐波分量很高，给电力系统带来了严重的谐波污染 。

为此，国际电工委员会为各种电子设备制定了相应的谐波标准，我国国内的有关委员会也提出了相应的谐波标准。

传统的整流电路因为谐波远远超标而面临前所未有的挑战。

为了保证开关电源的输入电流谐波能够达到谐波标准的要求，绿化电网环境，功率因数校正（Power Factor Correction ，PFC ）技术已经成为当今电力电子学领域十分活跃和颇具研究价值的热点。

实践表明，在增加开关电源类装置的功率因数，降低电流谐波含量方面，有源功率因数校正（APFC ）技术是应用最为广泛和行之有效的方法。

在我国对于电流谐波的要求规范、标准还不健全，有源功率因数校正技术的研究也是方兴未艾，但是它的重要性已经得到了广泛的认可。

总之，在各种用电设备中采用 APFC 技术来提高功率因数，提高效率，提高可靠性，减少电源的整机成本，以及提高产品的竞争力方面都具有十分重要的意义。

1.2 功率因数
功率因数是电源对电网供电质量的一个重要衡量指标。

根据电工学的基本理论，功率因数（Power Factor ）定义为有功功率（P ）和视在功率（S ）的比值，用公式表示为
1111111cos cos cos R R
U I I P PF F U I I φφγφ==== （1-1） 式中：
1I ：输入电流基波有效值；
R I
：电网电流有效值；R I =1I ，2I ，n I 为输入电流各次谐波有效值；
11o i U U D
=-：输入电压基波有效值； γ：输入电流的波形畸变因数；
1cos α：基波电压和基波电流的位移因数。

γ称为畸变因数，它表示了基波电流有效值在总的输入电流有效值中所占的比例; 1cos α称为位移因数，它反映了输入电流与输入电压之间的相位差。

功率因数
是畸变因数和位移因数的乘积，很显然，当输入电流与输入电压是同频同相的正弦波时，有PF =1。

1.3 功率因数校正方法
从本质上来讲，功率因数校正技术的目的是要使用电设备的输入端口针对交流电网呈现“纯阻性”，这样输入电流和电网电压为同频同相的正弦波，功率因数为 1，不会产生谐波污染问题。

由功率因数的定义和1PF=cos γα总谐波畸变与功率因数的关系可知，要提高功率因数，有两个途径：
(1)使输入电压、输入电流同相位，也就是使1=0α，使相移因数1cos =1α。

(2)使输入电流正弦化，1R I I = (谐波为零），从而11R
I I =。

综合这两种方法,就可以实现功率因数为 1 的目标，即1PF=cos 111γα=⨯=。

所以要使 THD 小,功率因数更高，可以从电路上采取措施，使交流输入电流波形完全跟随交流输入电压波形且同相位，使输入电流波形为纯正弦波。

具体的方法主要有两种：无源功率因数校正法和有源功率因数校正法[2]。

1.3.1 无源功率因数校正法(Passive Power Factor Correction )
这一方法是在整流器和电容之间串联一个滤波电感，或在交流侧接入谐振滤波器。

如图 1-1所示，它是通过大电感 L 1 来展宽输入电流的导通角，从而实现
提高功率因数的目的。

其主要优点是：简单，成本低，可靠性高，EMI 小；主要缺缺点是：尺寸，重量大，难以得到高功率因数（一般可提高到 0.9 左右），工作性能与频率，负载变化及输入电压变化有关，电感和电容间有很大的放电电流。

图1-1 无源功率因数校正电路
1.3.2 有源功率因数校正法(Active Power Factor Correction)
这一方法是在整流器和负载之间接入一个DC/DC 开关变换器，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。

从而使输入端THD 小于5%，而功率因数可提高到0.99 或更高。

由于在这个方案中，应用了有源器件，故称为有源功率因数校正(Active Power Factor Correction)，简称APFC。

主要优点是：可得到较高的功率因数，如0.97~0.99，甚至接近1，THD 小；可在较宽的输入电压范围（如90~260V AC）和宽频带下工作；体积，重量小；输出电压也可保持恒定。

主要缺点是：电路复杂；成本高；EMI 高；效率会有所降低。

如图1-2所示就是最常见的采用升压方法的APFC 电路[3]。

由于APFC 技术的优点正符合开关电源高频化，绿色化的发展趋势，现在APFC 技术已经广泛应用于AC/DC 开关电源，交流不间断电源(UPS)及其它电子仪器中。

图1-2 简化的有源功率因数校正电路
1.4本文所做的主要工作
本文在对国内外有源功率因数校正技术分析、研究的基础上，采用理论分析，仿真研究和设计实践的方法对Boost型有源功率因数校正器系统进行深入的研究。

论文主要从以下几个方面展开研究：
（1）概述功率因数校正技术的发展状况及其分类，本课题的主要工作。

（2）在论述有源功率因数校正基本原理的基础上，对有源功率因数校正器几种主电路拓扑进行分析和比较，并总结各自的优缺点；对有源功率因数校正电路的控制策略进行了详细的分类阐述，总结各自的优缺点及适合的应用场合。

通过分析比较确定本文研究的对象为平均电流控制模式的Boost型功率因数校正技术。

（3）推导理想Boost变换器的状态方程；建立了Boost变换器的MATLAB数学模型。

（4）设计控制电路的参数，建立电压误差放大器和电流误差放大器的传递函数。

（5）建立Boost型APFC的仿真模型，并比较分析系统在功率因数校正前后的输入电压电流波形和输出电压波形的变化，结果验证本文的方法设计Boost型APFC电路的各参数可获得满意得效果，说明这种设计方法的合理性。

第2章 有源功率因数校正技术
2.1 APFC 原理
有源功率因数校正技术 APFC(Active Power Factor Correction)伴随着开关电源变换技术的发展而出现。

早期，功率半导体技术尚未成熟，有源功率因数校正电路，大多借助于晶闸管电路来实现。

随着功率半导体技术的发展，各种性能优异、价格便宜的功率开关器件纷纷出现。

现在只有在大功率场合，才会使用晶闸管。

基于现代高速半导体开关器件和控制集成电路的现代高频功率电子电路，构成了现代有源功率因数校正控制电路的主流。

有源功率因数校正技术，虽然控制复杂，但是其所得的功率因数高，且由于这种方式采用的是开关电源变换技术，开关工作频率高，因此与无源功率因数校正相比较，所需要的滤波电容、电感都要小，体积和重量也就小。

随着各种便携式设备的风行，这种校正方式正成为功率因数校正的主流。

有源功率因数校正的基本电路由两大部分组成：主功率电路和控制电路，如图 2-1所示。

其基本思想是：将输入的交流电压进行全波桥式整流，对得到的整流直流电压进行 DC-DC 变换。

通过相应的控制(PWM 调制)使输入电流平均值自动跟随全波整流电压基准，呈正弦波形，且相位差为零，使输入阻抗呈纯阻性，从而实现功率因数为 1。

也可以说功率因数校正电路的基本思想是将整流器与滤波电容隔开，使整流电路由容性负载变为阻性负载。

现有的 APFC 电路一般都采用双环控制，内环为电流环，用来实现 DC-DC 变换器的输入电流与全波整流电压波形相同；外环为电压环，可保持输出电压稳定，从而使DC-DC 变换器输出端成为一个直流电压源。

图2-1 有源功率因数校正电路原理
交流输入
2.2APFC技术分类
有源功率因数校正技术按照不同的标准可以分为很多种：按电网供电方式可分为单相APFC 电路和三相APFC 电路；按主电路拓扑结构划分，可分为降压型（BUCK）、升压型（BOOST）、升降压型（BUCK-BOOST）等；按软开关特性划分，可分为零电流开关（ZCS）和零电压开关（ZVS）APFC 技术；按控制方法划分，可以分为PWM 控制，PFM 控制，单环电压反馈控制，双环电流模式控制，单周期控制等；按照电路结构来划分，APFC 技术可分为两级APFC 电路和单级APFC 电路。

两级APFC 电路由升压APFC和DC/DC 变换器级联而成，前级实现功率因数校正，后级实现隔离和降压，其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APFC电路集功率因数校正和输出隔离、电压稳定于一身，结构简单，效率高，但分析和控制较复杂，只适合用于单一集中式电源系统。

相对而言，两级APFC 的校正效果比较理想。

除了以上几种APFC 技术外还有磁放大APFC 技术，三电平(Three-Ixvel)APFC 技术，不连续电容电压模式((DCVM)APFC 技术等。

2.3有源功率因数校正的主电路拓扑
功率因数校正技术的目的从本质上来讲是要使用电设备的输入端口针对交流电网呈现“纯阻性”，使输入电流与输入电压始终成正比。

要用APFC 技术来实现这一目的，原则上都必须用电感和电容组成一定的LC 拓扑网络结构，同时利用功率开关管的开启和关断特性，使LC 网络在不同的拓扑结构之间来回变化——即功率开关管在开启时LC 网络为一种拓扑结构，而功率开关管在关断时LC 网络为另外一种拓扑结构。

这样，当LC 网络在不同的拓扑结构之间来回变化时，一方面可以实现能量的传输(DC-DC 转换)，另一方面可以实现对输入电流的控制(使输入电流与输入电压始终成正比)，以实现功率因数校正的目的。

电力电子技术中的六种基本变换器——Buck, Boost, Buck-Boost, Zeta, Sepic 和Cuk在原理上都可以构成APFC 电路，从拓扑结构上来说，Buck、Boost 两种变换器最为基本，而其它的变换器结构都是由这两种基本结构演变而来的。

其中Boost变换器具有独特的优点，因而在实际中应用最为广泛。

降压型：噪声大，滤波困难，功率开关管上的电压应力大，控制驱动电平浮动，因此很少采用。

升压型：采用简单电流型控制方法，PF值较高，总谐波失真小，效率高，但是输出电压高于输入电压，适用于75-2000W功率范围的应用场合，应用最为广泛。

升压型APFC电路具有以下优点：电路中的电感L适用于电流型控制；
由于升压型APFC 电路的预调整作用，在输出电容器C 上保持高电压，所以C 的体积小，储能大；在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数；输入电流连续，并且在APFC 电路开关瞬间输入电流较小，易于进行EMI 滤波；升压电感L 能阻止快速的电压、电流瞬变，提高了电路工作的可靠性[4]。

降/升型：需要两个功率开关管，其中一个功率开关管的驱动控制信号浮动，电路复杂，较少采用。

Cuk 变换器的发展思路是把Boost 和Buck 变换器串联起来进行演变，因而Cuk 变换器又名Boost-Buck 串联变换器。

它的特点为：无论在功率开关管S 导通还是关断时，可以知道电感1L 和2L 上的电流都可以保持连续，并且输入电源电流始终和流过电感1L 的电流相等，这点与单一的Boost 变换器电路的电流输入特性是相同的；通过增加电感1L 和2L 的值，可以使得交流纹波电流的值很小，这一特点使得它在应用中常常不需要附加抗电磁干扰（EMI ）滤波器，并使体积小型化；可以实现降压和升压。

2.4 有源功率因数校正技术的工作模式
APFC 电路在通常情况下需要用电压-电流的双环反馈来控制，这在一定的程度上会使PFC 电路显得较为复杂。

由于Boost 变换器具有控制容易，输入电流可以连续且纹波电流较小等诸多优点，因而得到了广泛的应用，为了方便叙述，这里主要用Boost 变换器作为描述和分析的对象。

根据电路输入电流检测和控制方式，APFC 电路的工作模式可分成两种：电感电流连续（Continue Current Mode,CCM ）和电感电流不连续工作(Discontinue Current Mode,DCM)两大类[5] 。

不连续导电控制模式（DCM ）又称为电压跟踪控制（V oltage-follower Control ）方式，主要有恒频、变频方式等，它是APFC 控制中简单而实用的一种控制方式，应用较广。

为了获得理想的稳压输出，需要输出电压闭环反馈控制环节，开关由输出电压误差信号控制。

在一个开关周期电感电流的平均值正比于输入电压，因此输入电流波形自然跟踪输入电压波形[6]。

（1）恒频方式
图2-2给出了Boost 电路的DCM 控制原理图，电压调节器E/A 的频带宽度取10-20Hz ，确保稳态时输出占空比在半个工频周期内保持不变。

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内的平均值为
s d o n on on d avg LT T T T V I 2)(+=
（2-1）
图2-2 DCM 控制原理图
式中d V 为整流后的电压；on T 为功率开关管S 的导通时间；don T 为二极管VD 的续流时间；s T 为开关周期。

式（2-1）中don T 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，don T 在半个工频周期内并不恒定，导致输入平均电流有一定程度的畸变。

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。

该方式下的电流THD 可控制在10%以内。

（2）变频方式
式（2-1）中，若don on s T T T +=，则输入平均电流只与导通时间有关，保持on T 恒定，输入电流理论上无畸变，这就是变频控制原理。

变频控制方式下电流工作于临界DCM 状态，集成控制器UC3852可实现上述功能。

当占空比和开关频率固定时，输入电流的平均值正比于输入电压，因此不再需要电流控制环输入电流的平均值就能自动跟踪输入电压呈正弦波形。

DCM 控制方法的一个基本特点就是电感能量的完全传输，即在每一个开关周期中，转换电感都必须把从电源中获得的能量完全转移到蓄能电容(输出电容)中去。

DCM 模式的输入电流自动跟踪电压，功率管实现零电流开通，不承受二极管的反向恢复电流。

但是由于变换器工作在不连续导电模式下，需要较大的输入滤波器。

开关不仅要导通较大的通态电流，而且将关断更大的峰值电流并引起很大的关断损耗，使开关的使用寿命降低，同时还会产生严重电磁干扰，DCM 模式可以采用恒频控制、变频控制、等面积控制等控制方法，这种工作模式的 APFC 一般功率小于 200W 。

CCM 模式的电感电流连续，输入电流纹波和输出电流纹波小、EMI 小，滤波器体积小，电流峰值比 DCM 模式要小，器件的应力相对也更小。

但是它的控
L
制方法比较复杂，开关损耗较大，制作成本也比较高，通常需要使用乘法器，采用电流闭环控制，且开关管工作于变频或PWM 控制方法。

这种工作模式一般适用于大功率、大电流的产品中。

2.5有源功率因数校正技术的控制策略
按照测量控制输入电流方法的不同，APFC 可以有多种控制策略，在电流连续情况下，经典控制策略中又主要有三种基本的控制方式：峰值电流控制，滞环电流控制，和平均电流控制[7][8]。

现以Boost型PFC电路为例来说明这三种控制方法的基本原理[5][6]，假设电路工作模式为CCM（电感电流连续模式）。

（1）峰值电流控制（Peak Current Mode Control）
图2-2是峰值电流控制模式PFC电路原理图。

其中功率管的开关周期恒定不变为T。

输入电压信号和输出电压的反馈信号相乘，形成一个与输入电压同频同相的电流控制参考信号（基准电流环信号）。

功率管S导通，电感L充电时，电感电流的检测信号和基准电流环信号相比较，当电感电流上升到基准信号值时，触发逻辑控制部分使功率管S关断，电感开始放电，当一个开关周期T结束时，功率管重新导通。

图2-3是在半个工频周期内，功率开关管的控制波形和电感电流波形i的示意图。

L
图2-3峰值电流控制原理图
图2-4峰值法控制时电感电流波形图
峰值电流控制法来实现Boost型PFC电路时的最主要问题是：被控制量是电感电流的峰值，因此并不能保证电感电流即输入电流平均值和输入电压完全成正比，并且在一定条件下会有相当大的误差，以至无法满足THD很小的要求；峰值电流对噪声也很敏感；占空比大于0.5时产生次谐波振动；需要在比较器输入端加谐波补偿。

因此在PFC电路中，这种控制方法已经逐渐趋于淘汰。

图2-5滞环电流控制原理图
图2-5是滞环电流控制方法实现Boost 型PFC 电路的原理图和在半个工频周期内，功率开关管S 的控制波形和电感电流波形的示意图。

和峰值电流控制法不同的是，被控制量是电感电流的变化范围。

输入电压信号和输出电压的反馈信号相乘，形成两个大小不同的与输入电压同频同相的电流控制参考信号，即：上限基准电流环信号和下限基准电流环信号。

电感电流的检测信号需要和两个基准电流环信号相比较来产生对功率开关管的控制信号，其控制步骤为：当功率管S 导通，电感L 充电时，电感电流的检测信号和上限基准电流环信号相比较，当电感电流上升到上限基准信号值时，触发逻辑控制部分使功率管S 关断，电感开始放电；当电感电流下降到下限基准信号值时，触发逻辑控制部分使功率管S 导通，电感L 重新充电。

这种控制模式下，功率管的导通时间是恒定的，而关断时间是变化的，因此功率管的开关周期是变化的。

图2-6中实线为电感电流L i ，max i 为上限电流基准，min i 为下限电流基准。

电流滞环的宽带度决定了电流纹波的大小，它可以是固定值，也可以与瞬时平均电流成比例。

图2-6 滞环电流控制时电感电流波形图
滞环电流控制法对Boost 型PFC 电路而言是一种较为简单的控制方式，由于控制中没有外加的调制信号，电流的反馈和调制集于一身，因而可以获得很宽的电流频带宽度，电流动态响应快，具有内在的电流限制能力等优点。

它的主要缺点是：负载对开关频率影响很大，因此设计滤波器时，要按最低开关频率考虑不可能得到体积和重量最小的设计；滞环宽度对开关频率和系统性能影响很大，需要合理选取；当输入电源电压近零时，两个基准信号的差值很小，由于比较器精度及延迟等因素，容易引起过零点电流死区问题，这一般需要对电路加以补偿来解决。

（3）平均电流控制
平均电流控制模式PFC 电路原理图2-7所示，平均电流控制在功率因数校正中应用最为广泛，其输入电感电流波形如图2-8所示。

它把输入整流电压和输出电压误差放大信号的乘积作为基准电流，并且电流环调节输入电流平均值，使其与输入整流电压同相位，并接近正弦波形。

输入电流被直接检测，与基准电流比较后，其高频分量的变化，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，给开关管驱动信号，并决定了其应有的占空比，于是电流误差被迅速而精确地校正。

图2-7 平均电流控制原理图
图2-8 平均电流法控制时的电感电流波形
平均电流控制的特点是被控制量是输入电流的平均值，因此THD 和EMI 都很
小；对噪声不敏感；电感电流的峰值与平均值之间误差很小；原则上可以检测任意拓扑、任意支路的电流；可以工作在CCM或DCM模式；并且开关频率是固定的，适用于大功率的场合，是目前PFC中应用最多的一种控制方式。

表2-1为这三种控制方法的基本特点，通过对比三种控制方式的优缺点来选择合适的控制方式。

表2-1 三种常用PFC控制方法
2.6本章小结
本章首先分析了有源功率因数校正技术的基本原理，然后在比较APFC 电路几种不同拓扑结构和工作模式特点，同时对有源功率因数校正技术的控制策略作了详尽的介绍。

第3章APFC电路的设计
3.1APFC电路的选择
Boost 型APFC 电路的输入电流必须被强制或调节到同输入电压成正比，需要反馈信号来控制输入电流，可采用峰值电流型控制，滞环电流型控制和平均电流型控制。

峰值电流型控制有一个低增益、宽频带的电流环，其通常不适于高性能的APFC，因为在调节信号和电流之间存在严重误差，这将产生畸变和低功率因数；滞环电流控制由于负载大小对开关频率影响很大，无法得到体积和重量最小的设计；而平均电流型控制则在围绕升压功率级的反馈环路中用一个放大器使输入电流以极小的误差跟踪调节信号，达到高功率因数，同时相对比较容易控制，而且定频电流控制，稳定性高、失真小，对于中、大功率开关电源比较适合。

本章首先来分析平均电流控制Boost 型APFC 电路的工作原理，然后在此基础上对其进行小信号建模。

相比较而言，升压式APFC具有功率因数高，电流波形失真小，输出电压高等显著优点，因此，功率因数校正电路选择升压型主电路。

L
图3-1Boost有源功率因数校正原理图。