单相功率因数校正电路的设计与研究论文

单相功率因数校正电路的设计与研究目录摘要............................................... 错误!未定义书签。

ABSTRACT............................................ 错误!未定义书签。

目录 (1)1 绪论 (2)1.1开关电源概述................................. 错误!未定义书签。

1.2功率因数校正概述 (2)1.3软开关单相升压功率因数校正 (3)2 有源功率因数校正APFC的基本工作原理与应用 (3)2.1功率因数校正（PFC）的定义及意义 (3)2.1.1 功率因数校正的定义 (3)2.1.2 功率因数校正的意义 (4)2.2有源功率因数校正技术的研究现状 (6)2.3功率因数校正实现方法 (6)2.4有源功率因数校正技术的分类 (7)3 BOOST变换器功率因数硬开关校正电路的仿真 (7)3.1主电路的设计及工作波形图 (7)3.2B OOST变换器基本原理 (8)3.3主电路主要元器件的参数设计 (9)3.3.1 高功率因数校正硬开关AC/DC变换电路技术指标 (9)3.3.2 升压电感的设计 (9)的设计 (10)3.3.3 输出电容CO3.4主电路的仿真与分析 (11)4 BOOST型ZVT-PWM功率因数软开关校正电路的仿真 (14)4.1主电路的设计及工作波形图 (14)4.2B OOST型ZVT-PWM变换器工作原理 (15)4.3B OOST型ZVT-PWM变换器运行模式分析 (15)4.4硬开关技术的缺点 (17)4.5B OOST型ZVT-PWM变换器的优缺点 (19)4.6软开关技术的特性 (19)4.7主电路主要元器件的参数设计 (21)4.7.1 高功率因数校正软开关AC/DC变换电路技术指标 (21)4.7.2 谐振电感Lr的设计 (21)4.7.3 谐振电容Cr的设计 (22)4.8主电路的仿真与分析 (22)5 全文总结 (25)摘要功率因数校正技术是抑制谐波电流、提高功率因数的行之有效的方法，近年来受到了越来越多的关注。

本文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的主电路拓扑及控制方法进行了分析与比较，总结其特点:对无源功率因数校正(PFC)电路、有源两级功率因数校正(PFC)电路和有源单级功率因数校正(PFC)电路进行了分析及性能比较，指出它们分别适用的场合。

通过比较，选择Boost变换器为主电路拓扑，采用UC3854控制器，设计一容量为500W 的单相有源功率因数校正电路，给出了具体电路参数的计算。

应用非线性优化方法分别对主电路和控制电路的补偿网络进行了优化设计。

对无直流电压传感器的原理进行了详细的分析，并进行了仿真，结果证明了原理电路的可行性。

关键词:功率因数校正，优化，传感器1 绪论1.1 功率因数校正整个电源的谐波干扰和电网污染早已引起人们的关注。

但是，当时的电源数量很少，谐波干扰也相对较小，因此并未引起普遍关注。

在过去的20年中，随着现代经济和技术的飞速发展，越来越多的电气设备被添加到电网中，并且许多谐波分量被创建并通过电网连接到其他电气设备，从而稳定了重要的电子设备，例如计算机。

在操作过程中会发生严重的电磁干扰。

由于传统的稳压电源数量大增，其输入级不控整流器和高压大滤波电容产生的严重谐波电流干扰，已成为强噪声发射源，危害了电网的正常工作，使220V 电网输送线路上损耗剧增，浪费了大量的电能[1]。

开关电源输入级的峰值电流非常高，将电网侧的功率因数从0.5降低到0.65。

即，视在功率远大于有用功率，并且电网的质量受到严重损害。

因此，发达国家正在率先引入各种功率因数校正（PFC）方法来实现“绿色能源”革命，以限制电子制造商访问网络的电气设备的电流谐波国际标准IEC555-2，EN60555-2我不得不实施等价值。

功率因数校正电路（PFC）分为有源和无源。

无源补偿电路通常由大容量的电感器，电容器和整流器组成，它们在工频电源上工作。

使用无源功率因数校正技术获得的功率因数不如有源校正电路高，但是功率因数可以提高到0.7-0.8，因此该技术广泛用于中小型电源。

本文主要讨论有功功率因数校正的方法。

自1990年代以来，有源校正电路发展迅速。

您需要在桥式整流器和输出电容器滤波器之间增加一个功率转换电路，以使功率因数接近1。

有源晶体电路在高频开关状态下工作，其体积小，重量轻，比无源晶体电路更有效率。

1.2 软开关单相升压功率因数校正当前，升压电路广泛用于单相整流电源的功率因数校正（PFC）技术。

传统的升压电路在硬开关状态下工作，并且在不连续导通模式下工作时，电感器电流的峰值与输入电压成正比，并且输入电流波形遵循输入电压波形，从而简化了控制。

关断导通电流和大峰值电流会导致大的关断损耗和严重的电磁干扰。

因此，在升压电路中采用软开关技术不但可以提高开关频率，还能解决开关开通与关断损耗、容性开通、感性关断和二极管反相恢复4大难题[2]。

但是，在软开关技术领域，现有技术提出了几种电路，例如谐振转换器，准谐振转换器和零开关PWM 转换器，但是这些电路可以用于单相功率因数校正电路。

它提高了功率因数和系统效率，但总体上并不理想。

在软开关状态下工作的特性是在连续导通模式下工作，优点是与使用传统的硬开关控制技术进行功率因数校正相比，功率开关管的开关损耗和二极管的反向恢复损耗得到了极大的改善。

我们可以看到，通过电路仿真和实际电路设计可以很好地实现功率因数。

出于校正目的，大大降低了功率管的开关损耗，抑制了电磁干扰，并获得了更高的效率。

升压谐振转换器（包括伪谐振和多谐振转换器）的谐振电感和谐振电容一直参与能量传递，并且电压和电流应力很高。

在零开关PWM转换器中，谐振元件并不总是在谐振状态下工作，而是谐振电感串联在主功率环路中，并且损耗相对较大。

谐振转换器完全相同，并提出了一种零转换PWM转换器。

它可以分为零电压转换PWM转换器（Boost ZVT-PWM）和零电流转换PWM转换器（Boost ZCT-PWM）。

这种转换器是软开关技术的又一次飞跃。

它的功能在PWM模式下运行，并且辅助谐振电路仅在主开关被切换以实现开关的软切换时才起作用，否则它不起作用，从而降低了辅助电路的功耗。

此外，辅助电路与主电源电路并联连接，辅助电路的工作不会增加主开关管的电压和电流应力，并且主开关管的电压和电流应力很小。

2 有源功率因数校正APFC的基本工作原理与应用2.1 功率因数校正（PFC）的定义及意义2.1.1 功率因数校正的定义功率因数（PF）是指交流输入有功功率（P）与输入视在功率（S）的比值。

即φγφφcos cos cos 1111=⨯===rmsrms I I I V I V S P PF （2-1） 式中：1I ——交流输入市电的基波电流有效值；rms I ——交流输入市电电流有效值；γ——交流输入市电电流的波形畸变系数；φcos ——交流输入市电的基波电压与基波电流之间的相移因数。

因此，可以将功率因数（PF ）定义为失真系数和相移系数的乘积。

假设输入电流中没有谐波1=γ或R I I =1，故上式变为φcos =PF [7]。

功率因数校正的基本原理是在电路中进行测量，以使电源的输入电流实现正弦波并保持输入电压和相位。

功率因数PF 与电流总谐波失真THD 之间的关系可以证明如下：2)(11cos THD PF +==φγ （2-2）这表明要增加PF ，需要降低THD 。

2.1.2 功率因数校正的意义由整流二极管和滤波电容器组成的整流滤波电路非常普遍，但价格低廉，可靠性高，但对电网的谐波污染却非常严重，它由整流二极管和滤波电容器组成。

整流滤波器电路主要具有以下问题。

1.在启动期间会出现大的浪涌电流，大约是正常工作电流的10至几十倍。

1.在正常工作期间，整流二极管的小导通角形成一个窄脉冲，具有高振幅，高电流波峰因数（CF ），并且电流总谐波失真（THD ）通常超过100％。

导致电网电压波形失真。

3.低功率因数（PF ），通常约为0.5至0.6。

开关电源的输入级一般采用由整流二极管和滤波电容器组成的整流滤波电路，如图2-1所示，输入220V 交流主整流器后，直接连接滤波电容器以产生更平滑的直流电压。

知道了。

但是，由整流二极管和滤波电容器组成的整流滤波电路是非线性元件和储能元件的组合，但是交流输入市电输入电压Vi 的波形是正弦波，但是整流器件的导通角不够180︒，由于导通角小，输入交流电流波形严重失真，如图2-2所示的脉冲状。

AC R图2-1电路图图2-2 常规开关电源输入电压电流波形大量的整流器电路已用于在供电电网中产生严重失真的非正弦电流，除了基波以外，输入电流还包含许多奇数和谐波分量。

这些波流回电网，造成严重的谐波“污染”，从而造成严重伤害。

主要风险[10]是：1.创建一个“辅助效果”。

即，传输线阻抗处的谐波电流中的电压降会扭曲电网电压（正弦波），并影响各种电气设备的正常运行。

2.谐波会导致传输线和转换线出现故障，从而导致转换设备损坏。

例如，线路和配电变压器过热和过载。

在高压长距离传输系统中，谐波电流会在变压器的电感电抗和系统的电容电抗之间引起LC 谐振，在三相电路中，中性电流是三相三次谐波电流的叠加，因此谐波电流由于过电流等而呈中性。

电流损坏3.谐波也会影响电气设备的正常运行。

例如，除了给电动机增加额外的损耗外，谐波电流还会产生附加的谐波转矩，机械振动等，从而严重影响电动机的正常运行。

谐波会导致白炽灯在更高的电压下工作。

这可能会导致灯丝的工作温度过高或缩短灯丝的寿命。

4.谐波会增加测量设备的谐波误差。

常规仪器是在正弦电压和正弦电流波形的情况下设计和操作的，因此可以确保在测量正弦电压和电流时的准确性，但是使用此仪器测量此非正弦波的量会导致额外的误差。

影响测量精度。

5.谐波会干扰通信电路。

电力线谐波电流通过电场耦合，磁场耦合和公共接地耦合影响通信电路。

综上所述，为了减少来自交流/直流转换器电路输入端的谐波电流和电网谐波“污染”的噪声，它确保了电网的供电质量并提高了电网的可靠性。

为了提高输入端子的功率因数以达到节能效果，必须限制AC/DC 电路输入端子的谐波电流分量。

这表明功率因数的提高在AC/DC 开关电源应用中非常重要。

2.2 有源功率因数校正技术的研究现状PFC 技术的主要方法可以分为无源PFC 技术和有源PFC 技术。

无源PFC 技术采用无源器件，如电感和电容组成的谐振滤波器，实现PFC 功能，主要优点：简单 、成本低、可靠性高及EMI 小等。

主要缺点：难以得到高功率因数，低频时元器件尺寸和重量大，工作性能与频率、负载变化和输入电压变化有关，电感和电容间有大的充放电电流等。