电网功率因数控制电路的实现说明书(栋斌)

毕业设计说明书课题名称：电网功率因数控制电路的实现

学生姓名刘栋斌

学号 ************

二级学院（系）电气电子工程学院

专业机电一体化

班级机电1032

指导教师张方军

起讫时间：2013年2月21日～2013年4 月10日

课题名称:电网功率因数控制电路的实现

摘要

功率因数校正PFC（Power Factor Correction）是治理谐波污染的一种有效方法。论文介绍了传统有源功率因数校正（APFC）的工作原理，分析了其主电路在应用中因二极管反向恢复产生的电流冲击与纹波噪声等问题，设计了一种带中心抽头电感的单相Boost高功率因数校正器，该电路采用平均电流模型UC3854，它通过脉宽调制输出的一连串脉冲信号来控制电路中开关晶体管的导通与截止，从而将输入电流与输出电压的相位重新调整到同相状态，最终达到功率因数校正的目的。

与传统型功率因数校正主电路相比，该主电路拓扑结构只是在电感磁环上增加了几匝线圈，引出了一个中心抽头，能够有效地抑制电流冲击，降低纹波噪声，提高了功率因数校正主电路的可靠性，分析了尖端失真、输出电压飘升以及重载下输出电压参数调整等实际问题，并给出了相应的解决方案。同时，还设计了UC3854的引脚保护电路和电流放大器的箝位电路。仿真与试验结果表明，该Boost功率因数校正器设计合理，性能可靠，功率因数可达到0.99，而且与当今通用的PFC控制电路兼容

关键词：机械设计；功率因数校正；整流器

目录

摘要 ......................................................................................................................... I 第1章引言 (1)

1.1 研究课题的意义 (1)

1.2 功率因数校正技术的研究现状 (3)

1.3 主要研究内容 (4)

第二章单相功率因数校正的基本原理 (5)

2.1 功率因数的基本概念 (5)

2.1.1 功率因数的定义 (5)

2.1.2 功率因数PF与总电流谐波畸变(THD)的关系 (5)

2.1.3 功率因数校正的分类 (6)

2.2 有源功率因数校正的基本原理 (6)

第三章有源功率因数校正主电路方案论证 (8)

3.1单相功率因数校正电路在实际应用中的问题 (8)

3.2 三种改进型单相功率因数校正主电路拓扑 (10)

3.3 方案比较 (12)

第四章系统仿真及分析 (13)

4.1输入电压输入电流波形仿真 (13)

4.2 谐波分析 (15)

4.3 关键点波形 (17)

4.4 应用 Protel 绘制原理图 (18)

第5章结论 (20)

参考文献 (21)

致谢 (22)

第1章引言

1.1 研究课题的意义

随着功率因数校正技术（Power Factor Correction，PFC）是电力电子产品满足绿色环保要求的必需手段，是未来开关电源发展的关键技术之一。传统的功率因数概念是在线性负载（如电阻、电感等）条件下得到的，此时，交流电路中的电压和电流为同频率的正弦波，相位差为φ，功率因数PF =cos 。最早由于使用大量交流电电机和各种电磁开关以及照明用电大量使用日光灯等感性负载，对于功率因数校正技术的研究，人们通常在感性负载两端并联移相电容，用容性无功功率补偿感性无功功率。

基于进一步限制电流波形畸变和谐波，使电磁环境更加干净的宗旨，一些世界性的学术组织提出了谐波限制标准，如IEC555-2，IEEE519等。其中，IEC555-2标准自1994年起已在欧盟国家全面实施，所有在欧盟市场销售的用电装置都必须满足这一标准。采用现代高频功率变换技术的有源功率因数校正技术是解决谐波污染最有效的手段。与传统的PFC电路相比，有源PFC电路的输入电流接近正弦波且与输入电压同相位，因此避免了对同一电网上其他用电设施的干扰。

从PFC技术的发展历程来看，人们最早是采用电感器和电容器构成的无源网络进行功率因数校正。采用这种技术所需的滤波电容器和滤波电感器的体积和重量较大，因此电路往往较笨重，并且对于输入电流波形中的谐波电流的抑制效果并不理想。

早期的有源功率因数校正电路主要是晶闸管电路，进入上世纪八十年代以来，电力电子设备中开关电源、相控整流器等非线性负载大量投入使用，给PFC 技术提出了新的问题。随着功率半导体器件的发展，开关电源技术突飞猛进，有源功率因数校正（Active Power Factor Correction，APFC）技术应运而生。1986年美国公布《功率因数等于1的电源》的专利，这是最早的较完整的升压式PFC 电路。起初对小功率电源并不适合但到八十年代末提出了工作在不连续导电模式（DCM）下的功率因数校正技术，其输入电流自动跟随输入电压，输入功率因数可接近1。这种变换器也叫电压跟随器，其控制简单，在小功率场合倍受青睐。

PFC主要有两种方法：无源PFC( PPFC)和有源PFC(APFC )。PPFC利用线性电感器和电容器组成滤波器来提高功率因数、降低谐波分量。该方法简单、经济, 在小功率中可取得好的效果。但是, 在较大功率的供电电源中, 需要大电感器和电容器, 这样体积和重量会较大也不太经济, 且功率因数的提高和谐波的

抑制也不能达到理想的效果。APFC使用高频开关变换器来实现功率因数的校正, 可迫使输入电流跟随供电的正弦电压变化。APFC具有体积小、重量轻、功率因数大(可接近1)等优点。

APFC又分为双级和单级两种。单级APFC电路将PFC预调节电路与DC/DC

后调节电路集成为一次能量处理, 同时实现输入电流的整形和输出电压的调节, 具有结构单、成本低、变换效率较高等优点。但输入电流不能取得理想正弦波, 且只适用于小功率场合。单级APFC电路还存在一个非常严重的问题, 其储能电容电压不可控, 会随着输入电压和负载的变化而变化。如何降低储能电容电压是单级APFC电路的一个研究热点。有源功率因数校正（Boost—APFC）技术的思路，主要是控制已整流后的电流，使之在对滤波大电容充电之前，能与整流后的电压波形相同，从而避免电流脉冲的形成，达到改善功率因数的目的。由于APFC 使得电网端的功率因数为1，减小了输入电流，降低了配电输入线的损耗，消除了用电装置的谐波分量对电网的污染，因此，凡是本身的工作会产生非线性，引起电网电压、电流畸变的电力电子装置，如果增加功率因数校正部分对电网带来的效益是明显的; 对于用电器本身则会增大体积提高成本。

第四代IGBT的工作频率已达到150KHz，完全可以取代功率MOSFET；而且用于功率因数校正的集成控制器已先后出台并拥入市场，因此APFC的成本增加不大，而可靠性大大提高了。同时由于APFC增加了一级功率调节环节，它既要使输入电流波形呈正弦波，又要能够稳定输出电压，要同时具有两个互为矛盾的特性，势必会造成动态响应的恶化。但如果合理设计输出滤波电容C，就可适当得到补偿。增大输出滤波电容C的容量，使之同时满足电压纹波和交流突然断电时维持时间的要求，就能解决问题。

尽管APFC对消除电网污染，提高功率因数的作用很明显，但控制电路比较复杂，随着电子技术的发展，专用于APFC的集成电路（IC）已被开发研制出来，这对设计高功率因数，低谐波失真的各类电子电路提供了技术支持。

双级APFC中的PFC电路经过多年的研究,相对来说较成熟，是较常用的方式。它由两个相互独立的变换器分别实现输入电流的整形和输出电压的快速调节，前级PFC电路通常采用非隔离Boost、Buck/Boost和隔离Fly back变换器。电流连续CCM Boost电路因电路拓扑较简单、输入电流纹波小、功率开关管直