基于PSpice的单相功率因数校正电路的行为建模与仿真_陈果

（ b） 平均等效受控源
图 2 开关集合的等效受控源电路
其中
Ga = IL
（ 1）
Gb
=
IL Don Don + Doff
（ 2）
Gc
=
IL Doff Don + Doff
（ 3）
EL = U（ a，b） Don + U（ a，c） Doff
（ 4）
式中 Ga 、Gb、Gc ———受控电流源的值
E L ———受控电压源的值
c 之间的平均电压。
由开关集合电路的基本关系式（ 1） ～ （ 4） ，利
用 PSpice ABM 元 件 库 中 的 数 学 表 达 式 模 块
EVALUE 和 GVALUE ，可以建立 Boost 主电路等效行为 模型，如图 3 所示。
2． 2 PWM 电路的行为模型
对于最简单的 PWM 电路，锯齿波一周期的
的工作原理。利用 PSpice 模拟行为建模功能和 Boost 主电路开关电感模型相结合，建 立了平均电流模式控制单相 PFC 电路的仿真模型。通过对开关器件的等效平均，简化 了 PFC 电路的分析与建模，大大缩短了仿真时间。利用仿真模型，可以分析电路的频 域及时域特性。最后，利用 UC3854 芯片搭建了试验电路。试验结果证明了建模方法 的正确性。
I L ———电感上的电流平均值
Don ———开关管导通占空比
Doff ———二极管导通占空比
当电路 工 作 在 连 续 导 电 模 式 时，有 Don +
Doff = 1； 当 电 路 工 作 在 不 连 续 导 电 模 式 时，有
Don + Doff ＜ 1； U（ a，b） 和 U（ a，c） 分别是 a、b 和 a、
图 3 Boost 主电路等效行为模型
图 4 PWM 电路原理图
Don
=
（ UE － 1． 1） 5． 4
（ 5）
{ ( ) } Doff
=
min
（
1
－
Don ）
， 2ILL fs U（ a，b） Don
－ Don
（ 6）
式中 fs———开关频率
Don ———开关管导通占空比
Doff ———二极管导通占空比
Key words： power factor correction（ PFC） ； model and simulation； switched inductor model； analogy behavioral modeling（ ABM）
0引言
PSpice 作为一种通用电子电路仿真软件，在 电力电子电路的分析和设计中得到了广泛的应 用。但是，由于功率因数校正（ Power Factor Correction，PFC） 电路具有非线性时变的特点，开关频 率较高，采用双环控制结构，传统的基于详细开关 器件的仿真技术仿真时间会很长，而且难于收敛； 此外，对于参数不很明确的原理性模型的仿真分
路开关周期小于电路时间常数的条件下，利用平 均化等效电路模型代替变换器中的开关器件，使 仿真过程避免了在每一个开关时刻求解电路状态 方程，从而提高了仿真速度。
由文献［5］可知，对于图 2（ a） 虚线所示 Boost 电路中的开关集合，可以用图 2（ b） 的平均等效受 控源电路替代。
（ a） Boost 电器
图 1 PFC 电路原理图
2 ABM 建模的一般方法和步骤
2． 1 主功率电路的模型 由 于 变 换 器 都 是 工 作 于 高 频 状 态，利 用
PSpice 软件进行瞬态分析时，在每一个开关时刻 都要进行一次电路状态方程的求解，故仿真需要 很长的 时 间。 本 文 采 用 了 开 关 电 感 模 型［5］ 对 主 功率电路平均建模。该方法的基本思想是，在电
析，PSpice 中现有的一些器件同样不能胜任［1］。 为此，可以利用 PSpice 软件自带的模拟行为建模 （ Analog Behavioral Modeling，ABM） 功能，对于一 些器件或系统，忽略其内部参数和电路结构，仅使 用一些数学表达式或表格来建立等效模型，实现 对系统的输入 / 输出特性分析［2］。本文以带输入 前馈的平均电流模式控制单相 PFC 电路为例，分 析了 ABM 的一般方法和步骤，并利用该模型分析 了电路 的 频 域 及 时 域 特 性。试 验 结 果 证 明 了 ABM 建模方法的正确性。
徐平凡（ 1983—） ，男，讲师，研究方向为电力电子装置与系统。 梅 妮（ 1980—） ，女，讲师，研究方向为电气自动化技术。 * 基金项目： 中山市科技项目资助（ 20103A257）
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低压电器（2012No． 2）
1 PFC 电路简介
带输入前馈连续工作模式的平均电流控制 Boost PFC 电路原理图，如图 1 所示［3］。实际电路 参数计算 可 以 参 考 控 制 芯 片 UC3854 的 设 计 资 料［4］。主电路由单相桥式整流器、Boost 变换器组 成。控制电路包括电压环补偿器 GCV 及基准电压 U1 、电流环补偿器 Gc、乘 / 除法器、脉宽调制电路 和驱动电阻组成。图 1 中，乘 / 除法器的输出 U2 作为电流反馈控制的基准信号，与检 测 信 号 ua （ 平均电感电流在采样电阻上的压降） 相比较，输 出的误差信号 ue 经补偿器 Gc 和 PWM 电路后驱 动开关管的通断，从而使整流输入电流（ 即电感 电流） iL 跟踪整流电压 ui 的波形，实现 PFC 功能。 输入电压的峰值采样作为前馈信号输入到乘 / 除 法器，以保证在输入电压扰动时输出功率的稳定。 如果采用传统的仿真方法，需要提供 UC3854 芯 片的仿真库文件。但一些通用的电路仿真软件 （ 如 PSpice、Saber） ，往往不能提供专业电源芯片 模型，这就给仿真带来了困难。为此，本文给出了 一种利用 PSpice 软件的 ABM 元件库搭建简化芯 片仿真模型的方法。
起点决定开关管的导通时刻，电流误差放大器输
出误差信号 UE 与锯齿波的斜坡交点决定开关管 的截止时刻，如图 4 所示。UP 和 UM 是锯齿波的 峰值和谷值 （ 对于 UC3854 芯片，可取为 1． 1 和
6． 5） 。根据文献［4-5］，有
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低压电器（2012No． 2）
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Uaout ———电压误差放大器的输出电压
Uf ———前馈电压
图 5 乘 /除法器的行为模型
3 模型仿真分析
利用上述方法和 UC3854 的电路参数，建立 了带输入前馈的平均电流模式控制 Boost PFC 电 路的等效行为模型，如图 6 所示。其主要电气参 数为： 输出电压 Uout = 390 V； 输入电压 Uin = 80 ～ 270 V； 开关频率 fsw = 100 kHz； 电感 L = 1 mH； 电压 环交越频率为 10 Hz，相位裕量 60°； 电流环交越频 率为 10 kHz。仿真使用的电脑 CPU 为赛扬 2． 4 G，
Hale Waihona Puke Baidu
CHEN Guo， XU Pingfan， MEI Ni （ Department of Electronic Engineering，Zhongshan Polytechnic College，Zhongshan 528404，China）
Abstract： The principle of average current-mode control（ ACC） Boost power factor correction（ PFC） was introduced． The method based on PSpice analogy behavioral modeling（ ABM） and switched inductor model to model and simulate the ACC single phase PFC was introduced． By using the averaged switching model，the frequency-domain and time-domain simulation of the ACC PFC were simplified and with less time． The modeling method is verified by the simulation and experiment result based on UC3854．
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低压电器（2012No． 2）
（ a） 输入电压和输入电流波形
图 6 PFC 电路的等效行为模型
内存为 256 M； 仿真软件采用 Orcad PSpice 9． 2。 利用该仿真模型对系统进行了时域和频域分析， 仿真结果如图 7 所示。由图 7 可见，电路仿真的 时间大大减少，从原来的一个多小时缩短为几分 钟，大大提高了仿真的效率。
建模方法。
2． 4 乘 /除法器模型
乘/ 除法器的输出是由正弦半波形状的基准电
流作为电流内环的参考信号，如图 5 所示。可以采
用受控电流源来表示，并且输入/ 输出关系［6］有
Icap = Iac （ Uaout － 1） / U2f
（ 7）
式中 Icap———输出的参考电流
Iac ———整流输入电压的电流采样
min 函 数 是 取 表 达 式 （ 1 － Don ） 和
( ) 2ILL fs U（ a，b） Don
－
Don
的最小 值，实 现 连 续 模 式 和
不连续模式的占空比自动切换。
为了建模的方便，在行为模型中可以用数值
相等的电压源来代替占空比（ 如 70% 的占空比等
效为 0． 7 V 的电压源） 。另外，为了与实际电路一
致，还需要限制占空比的输出范围，此处的占空比
设为 8% ～ 99% 。由式（ 5） 、式（ 6） 并利用 PSpice
ABM 元件库中的表格模块，可以建立 PWM 电路
等效行为模型。
2． 3 电压误差放大器的行为模型
在精度要求不高的情况下，误差放大器可以
用增益倍 数 很 高 的 受 控 电 压 源 来 等 效。PSpice
ABM 元件库中表达式模块的属性设置为［1 000
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（ % IN + ，% IN － ） ］，表示输出电压为采样电压 Uf 和参考电压 Uref （ 取 7． 5 V） 差值的1 000倍。合理 设计补偿电路的参数后，输出的电压误差信号 Uc 即为乘 /除法器的一个输入信号。电流误差放大
器的行为模型可以采用和电压误差放大器相同的
DOI:10.16628/j.cnki.2095-8188.2012.02.014
低压电器（2012No． 2）
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基于 PSpice 的单相功率因数校正 电路的行为建模与仿真*
陈 果， 徐平凡， 梅 妮 （ 中山职业技术学院 电子系，广东 中山 528404）
摘 要： 介绍了带输入前馈的平均电流模式控制单相功率因数校正（ PFC） 变换器
输入电压为交流 110 V 时，输入电流的波形 如图 7（ a） 所示。利用 PSpice 的傅里叶分析功能 对输入电压和输入电流仿真波形进行分析，结果 表明，设计电路实现了 PFC 功能，输入电流跟随 输入电压，近似为正弦波。负载由满载切换到半 载（ 500 ms 时） 后的输出电压 UOUT波形如图 7（ b） 所示，输出电压经过 38 ms 后达到稳态。由于负 载电流变小，输出电压由 390 V 上升到 398 V，略 有上升，因此，系统具有较好的稳定性。输入电压 Uin由 220 V 突变到 110 V（ 310 ms 时） 后的输出 电压波形如图 7 （ c） 所示。用游标尺测得，经过 45 ms 后输出电压回到了稳态，而且基本上没有 变化。因此，模型实现了输入前馈功能，抑制了输 入扰动对输出的影响。系统的电压环和电流环相 频和幅频曲线如图 7 （ d） 、7 （ e） 所示。用游标尺 测得，电压环交越频率为 11 Hz，相位裕量为 58°； 电流环交越频率为 11． 5 kHz，故设计符合系统的 稳定性要求，有足够的裕量。
陈 果 （ 1982—） ， 男，讲 师，工 程 师， 研究方向为开关电 源的建模与仿真。
关键词： 功率因数校正； 建模与仿真； 开关电感模型； 模拟行为建模
中图分类号： TM 464∶ TM 714． 3 文献标志码： A 文章编号： 1001-5531（ 2012） 02-
0042-05
Behavioral Modeling and Simulation of Single Phase Power Factor Correction Based on PSpice