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1、学号 14051400645 毕业设计（论文） 题目：单相功率因数校正电路的仿真研究 作 者 王 任 届 别 2009届 系 别 机械与电气工程系 专 业 自动化 指导教师 荣 军 职 称 讲 师 完成时间 2009年5月21日 湖南理工学院毕业设计（论文） - I - 摘摘 要要 现代开关电源技术所面临的最重要课题之一就是功率因数校正(Power Factor Correction,PFC)。在各种单相 PFC 电路拓扑结构中，Boost 升压型功率因 数校正电路由于具有主电路结构简单，变换效率高，控制策略易实现等优点而 得到广泛应用。本文叙述了有源功率因数校正(APFC)的原理和方法，对硬
2、开关 和软开关主电路的主要元器件参数进行设计，并在软件环境下搭建了功率因数 校正电路 Boost 变换器与 Boost-ZVT 变换器的仿真模型，分别对输入电压与输 入电流、开关管驱动波形、输出电压与输出电流进行仿真，并对仿真结果进行 分析和比较，指出了它们各自的优点与缺点。 关键词：关键词：开关电源；功率因数校正；OrCAD/PSpice 仿真 湖南理工学院毕业设计（论文） - II - ABSTRACT One of the most important issue in modern switching power technology is the Power Factor Corre
3、ction(PFC). Among a variety of single-phase PFC circuit, Boost boost power factor correction has been widely used as a result of the simplicity of the main circuit structure, high conversion efficiency and easy control strategy achievement. This paper considers the principle and method of the Active
4、 Power Factor Correction(APFC) and designs the parameters of main circuit components of hard switching and soft switching. Meanwhile, it establishs the PFC Boost converter circuit and the Boost-ZVT converter simulation model by utilizing software. Moreover, it simulates the waveform of input voltage
5、 and current together with the drive waveform of the switch tube and the waveform of output voltage and output current respectively. At last, it analyzes the simulation results, then makes a comparison, pointing out their advantages and disadvantages respectively. Key words: Switching Power; PFC; Or
6、CAD/PSpice simulation 湖南理工学院毕业设计（论文） - III - 目目 录录 摘 要.I ABSTRACT.II 目 录.III 1 绪论.1 1.1 开关电源概述 .1 1.2 功率因数校正概述 .1 1.3 软开关单相升压功率因数校正 .2 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 .3 2.2 有源功率因数校正技术的研究现状 .5 2.3 功率因数校正实现方法 .5 2.4 有源功率因数校正技术的分类 .6 3 BOOST 变换器功率
7、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 3.2 BOOST变换器基本原理.8 3.3 主电路主要元器件的参数设计 .8 3.3.1 高功率因数校正硬开关 AC/DC 变换电路技术指标 .8 3.3.2 升压电感的设计 .9 3.3.3 输出电容 CO的设计.9 3.4 主电路的仿真与分析 10 4 BOOST 型 ZVT-PWM 功率因数软开关校正电路的仿真 12 4.1 主电路的设计及工作波形图 12 4.2 BOOST型 ZVT-PWM 变换器工作原理13 4.3 BOOST型 ZVT-PWM 变换器运行模式分析13 4.4 硬开关技术的缺点 15 4.5
8、BOOST型 ZVT-PWM 变换器的优缺点18 4.6 软开关技术的特性 18 4.7 主电路主要元器件的参数设计 19 4.7.1 高功率因数校正软开关 AC/DC 变换电路技术指标 19 4.7.2 谐振电感 Lr 的设计 .20 4.7.3 谐振电容 Cr 的设计 .21 4.8 主电路的仿真与分析 21 5 全文总结24 参考文献.25 致谢.26 湖南理工学院毕业设计（论文） - 1 - 1 绪论 1.1 开关电源概述 电源是所有用电设备的心脏，为设备提供动力。开关电源处于电源技术的核心地 位，近十年有了突飞猛进的发展.按目前的习惯，开关电源专指电力电子器件工作在高 频开关状态下的
9、直流电源。 目前，应用最为广泛的直流电源又三类:线性电源、开关电源和相控电源。线性电 源是开关电源的前身1。各种电子装置、许多电气控制设备的工作电源都是直流电源。 在开关电源出现之前，这些装置的工作电源都采用线性电源。由于和线性稳压电源相 比，开关电源在绝大多数性能指标上都具有很大的优势，因此，目前除了对直流输出 电压的纹波要求极高的场合以外，开关电源己全面取代了线性稳压电源。另外一种常 用的直流电源是相控电源。它的主要优点是电路简单控制方便，主要的缺点是体积大， 重量重，输出滤波电感大，另外，由于其频率低，控制的响应速度很慢。因此，只有 在很大功率的应用场合才会采用。 近年来，开关电源已广泛
10、应用于电力，通信，交通等各个领域，并取得了显著的 经济效益。随着开关器件以及磁性材料性能的不断改进，开关频率逐步提高，功率逐 步增大，开关电源的性能也更加优良。相关技术的发展和开发软件的改进，也使开关 电源的研发水平大大提高。 然而大多数开关电源是通过整流器和电力网相接的，在普通电力电子装置中，整 流电路通常采用不控整流后接电容滤波或是晶闸管相控整流。整流器-电容滤波电路是 一种非线形元件和储能元件的组合。虽然输入交流电压是正弦的，但输入电流是仅在 交流电压波顶附近区域导通，滤波电容被整流后的电流充电，因此输入交流电严重畸 变，呈脉冲状。这种电流的基波是和输入正弦电压同相位的，故产生有功功率，
11、但交 流波形中含有较大的高次谐波，这些高次谐波与输入正弦电压既不同频也不同相。因 此功率因数很低，最高只有 0.8 左右。输入电流含有大量谐波，一方面使谐波噪声水 平提高，同时在 AC/DC 整流电路的输入端必须增加滤波器，进而造成成本、体积、重 量的增加。另一方面，大量的谐波倒流流入电网，造成对电网的谐波“污染” 。 基于限制电流畸变和谐波“污染” ，是电磁环境更干净的宗旨，一些世界学术组织 和国家已经颁布和实施了一些输入电流谐波的限制标准。例如国际电工委员会制定了 湖南理工学院毕业设计（论文） - 2 - 如 IEC555-2 等法规，欧洲也制定了相应的 IEC000-3-2 标准。我国于
12、 1994 年颁布了 电能质量功用电网谐波标准 GB/T1449-93。因此提高功率因数在通信开关电源应用 中具有重大意义：（1）防干扰：核心是限制电网谐波电流成分。 （2）可以减少输入电 流的谐波成分，从而降低对其它设备的干扰。 （3）可以提高电网设备的利用率。 （4） 可以提高电网设备的安全性。由此可知：有源功率因数校正技术在开关电源中占据着 及其重要的位置，它能消除谐波污染，实现各种电源装置网侧电流正弦化，使功率因 数接近于 1，极大地减少电流的高次谐波，消除无功损耗。能够在大力倡导绿色电源的 背景下，提高开关电源的功率因数已经成为国内开关电源研究的主要方面。 1.2 功率因数校正概述
13、电源整机的谐波干扰和对电网的污染问题，很早以前就提出来了。但当时的电源 数量少，它们的谐波干扰比较小，因而没有引起普遍的注意。近二十几年来，随着现 代经济和技术的高速发展，越来越多的电气设备加入电网，产生出大量的谐波分量又 经电网串入其他电气设备，对计算机等重要电子设备的稳定工作产生严重的电磁干扰。 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。开关电源的输入级峰值电流很高，使网侧的功 率因数下降到 0.50.65，即视在功率远大于有用功率，电网质量严
14、重受损。所以发达 国家率先采用了多种功率因数校正（PFC）方法，来实现“绿色能源”革命，并强制推 行了国际标准 IEC555-2、EN60555-2 等，限制电子生产厂家入网电气设备的电流谐波 值。 功率因数校正电路(PFC)分为有源和无源两种。无源校正电路通常由大容量的电感、 电容和工作于工频电源的整流器组成。虽然采用无源功率因数校正技术得到的功率因 数不如有源校正电路高，但仍然可以使功率因数提高到 0.70.8，因而这种技术在中 小功率电源中被广泛采用。本文主要讨论有源功率因数校正方法。有源校正电路自 20 世纪 90 年代以来得到了迅速推广。它是在桥式整流器与输出电容滤波器之间加入一个
15、功率变换电路，使功率因数接近 1。有源校正电路工作于高频开关状态，它们的体积小、 重量轻，比无源校正电路效率高。 湖南理工学院毕业设计（论文） - 3 - 1.3 软开关单相升压功率因数校正 目前，升压电路被广泛应用于单相整流电源的功率因数校正(PFC)技术中。传统的 升压电路工作在硬开关状态，其特点是工作在不连续导电模式时，电感电流峰值正比 于输入电压，输入电流波形跟随输入电压波形，因而控制简单；缺点是开关不仅要通 过较大的通态电流，而且关断较大的峰值电流会引起很大的关断损耗，同时还会产生 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
16、性开通、感性关断和二极管反相恢复 4 大难题2。然而， 在软开关技术方面前人已经提出好几种电路，如谐振型转换器、准谐振转换器和零开 关 PWM 转换器等，虽然在单相功率因数校正电路中采用这些电路可以提高功率因数和 系统效率，但总体上并不理想。工作在软开关状态，特点是工作在连续导电模式，优 点是功率开关管开通损耗和二极管的反向恢复损耗都大大降低，较之采用传统硬开关 控制技术的功率因数校正提高了一大步。通过电路仿真和实际电路设计，发现都可以 很好地达到功率因数校正的目的，而且显著减少了功率管的开关损耗，抑制了电磁干 扰，可获得较高的效率。升压谐振转换器(包括准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，而且它们的电压和电流应力很大。而零开关 PWM 转换器 中，虽然谐振元件不是一直工作在谐振状态，但谐振电感却串联在主功率回路中，它 的损耗较大，同时，开关管和谐振元件的电压应力和电流应力与准谐振转换器完全相 同，为此提出了零转换 PWM 转
