摘要开关电源以其效率高、功率密度高而在电源领域中占据着重要的地 位开关电源多数是通过整流器与电网相接的，经典的整流器是由二 极管或品闸管组成的一个非线形电路，在电网中会产生大量的电流谐 波和无功功率而污染电网，成为电力公害随着电力电子产品的广泛使用，尤其是开关电源的应用，对电网造 成的谐波污染也越来越严重，这使得功率因数校正（PFC）技术成为 电力电子研究的一个热点功率因数校正的目的，就是采用一定的控 制方法，使电源的输入电流跟踪输入电压，功率因数接近为1有源 功率因数校正优于无源功率因数校正，一般多采用之开关电源有源 功率因数校正的主电路通常采用DC/AC开关变换器，其中升压型变 换器由于具有极大的优点，使用比较广泛而本设计就是采用Boost 电路和专门用作功率因数校正的芯片共同完成开关电源功率因数的 校正关键词：开关电源整流器谐波电流功率因数校正有源功率因数校正1、开关电源功率因数校正原理1.1、什么是功率因数补偿，什么是功率因数校正功率因素补偿:这项技术主要是针对因具有感性负载的交流 用电器具的电压和电流不同相（图1）而引起的供电效率低下，提出 的改进方法（由于感性负载的电流滞后所加电压，电压和电流的相 位不同，使供电线路的负担加重，导致供电线路效率下降，这就要求 在感性用电器具上并联一个性质相反的电抗元件.用以调整该用 电器具的电压、电流相位特性.例如:当时要求所使用的40W日光 灯必须并联一个4.75p F的电容器）.用电容器并联在感性负载的两 端，利用电容上电流超前电压的特性，用以补偿电感上电流滞后电 压的特性，使总的特性接近于阻性，从而改善效率低下的方法叫做 功率因数补偿（交流电的功率因数可以用电源电压与负载电流两 者相位角的余弦函数值 cos ^表示）。
常规开关电源功率因数低是由于开关电源都是在整流后，用一个大容量的滤波电容使输出电压平滑，因此负载特性呈现容性.这就造成了交流220V在整流后，由于滤波电容的充、放电作用，在 其两端的直流电压上出现略呈锯齿波的纹波.滤波电容上电压的最小值远非为零,与其最大值（纹波峰值）相差并不多令波蛾流，的电压波形一 I：弦5图2全波整流电压和A瀚入电流波形因为根据整流二极管的单向导电性,只有在AC线路电压瞬时 值高于滤波电容上的电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通, 而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时，整流二极管因 反向偏置而截止.也就是说，在AC线路电压的每个半周期内，只是 在其峰值附近,二极管才会导通.虽然AC输入电压仍大体保持正弦 波波形，但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲，如图2所示.这种严 重失真的电流波形含有大量的谐波成份，引起线路功率因数严重 下降.在正半个周期内（180°），整流二极管的导通角大大小于180°，甚 至只有30°〜70°.由于要保证负载功率的要求，在极窄的导通角期 间，会产生极大的导通电流，使供电电路中的供电电流呈脉冲状态. 它不仅降低了供电的效率,更为严重的是，它在供电线路容量不足 或电路负载较大时，会产生严重的交流电压波形畸变（图3）,并产生 多次谐波，从而干扰了其它用电器具的正常工作（这就是电磁干扰 -EMI 和电磁兼容一EMC 问题 ）。
图3正常供电电压波形和接入容性负载后电压波形畸变1・2、怎样进行功率因数校正1.2.1功率因数校正:(PFC)我们日前使用的电视机，由于采用了高效的开关电源，而开关电源内 部电源输入部分，无一例外的采用了二极管全波整流及滤波电路，如图 4A 所示，其电压和电流波形如图4B 所示如果在整流滤波后不加滤波电路，仅为足性负载时，输入电流即 为正弦波.并且与电源电压同相位，功率因数为1.因此，功率因数校正电 路的基本思想就是将整流电路与滤波电容隔开,使整流电路由电容性 负载变成电阻性负载.功率因数校正电路其实就是一个AC/DC变换器.它是利用脉冲波宽 度调变（PWM）技术来调整输入功率的大小，以供应适当的负载所需的 功率.脉冲波宽度调变器控制切换开关将直流输入电压变换成一串电 压脉冲波，随后利用变压器和快速二极管将其转换成平滑的直流电压 输出.这个输出电压随即与一个参考电压进行比较，所产生的电压差反 馈至PWM控制器.这个误差电压信号用来改变脉冲波宽度的大小.如 果输出电压过高,脉冲波电压会减小,进而使输出电压降低，使输出电 压恢复至正常输出值.PFC电路就是利用这个方法,但是加入了一个电路，使的来自交流电 源的电流是一个正弦波并与交流电压同相位.此时误差电压信号的调 变是由整流后的交流电压和输出电压的变化来控制的，最后误差电压 信号反馈至PWM控制器.也就是说,当交流电压高时,PFC电路就从交 流电源吸取较多的功率;反之，若交流电压较低，则吸收较少的功率，这 样就可以抑制交流电流谐波的产生.为了抑制电流波形的畸变及提 高功率因数，现代的功率较大（大于85W）具有开关电源（容性负载）的用 电器具，必须采用PFC措施,PFC分为有源PFC和无源PFC两种方式。
1.2.2有源PFC电路的原理有源PFC电路则有很好的效果，基本上可以完全消除电流波 形的畸变，而且电压和电流的相位可以控制保持一致，它基本上完 全解决了功率因数、电磁兼容、电磁干扰的问题但是电路非常的 复杂.其基本思路是在220V整流桥堆后去掉滤波电容（以消除因电 容充电造成的电流波形畸变及相位变化），由一个“斩波”电路把脉 动的直流变成高频（约100KHz）交流经过整流滤波后，其直流电压 再向常规的PWM开关稳压电源供电，其过程是AC-DC-AC- DC有源PFC电路的基本原理是在开关电源的整流电路和滤波 电容之间增加一个DC-DC的斩波电路，如图6所示（斩波电路等 于 附 加一个 开 关 电 源 ）.IBD2中的每只 -极管导通佑. 踮接近18*增加的矩波电路I卑曜电容PWM开关电源.||图五有源PFC电路PFC电路由两个开关电源组合而成1.2.3斩波部分（PFC开关电源）整流二极管整流以后不加滤波电容器，把未经滤波的脉动正半周电 压作为斩波器的供电电源，由于斩波器一连串做“开关”工作脉动的 止电压被“斩”成图7所示的电流波形，其波形的特点：（1）电流波形是断续的,其包络线和电压波形相同，并且包络线 和电压波形相位同相；（2）由于斩波作用，半波脉动的直流 电变成高频（由斩波频率决定，约100KHz）黑色实线为电压波形 红色虚线为电流包堵波形jTOiiiMmnnnwmmMminnnnjmMonru图六斩波器输出的电压和电流波形图（3）从外供电总的看，该用电系统做到了交流电压和交流电流同相, 并且电压波形和电流波形均符合正弦波形，既解决了功率因数补偿问题，也解 决了电磁兼容（EMC）和电磁干扰（EM I）问题。
该高频“交流”电再经过整流二极管整流，并经过滤波变成百流电压（电 源）向后级的PWM开关电源供电，该直流电压在某些资料上把它称为 B+PFC（海信等离子TPW4211即是如此）.斩波器输出的B+PFC电压一 般高于原220V交流整流滤波后的+300V,其原因是选用高电压、电感的线径小、线路压降小、滤波电容容量小、滤波效果好对后级PWM 开关管要求低等等诸多好处1.3目前PFC开关电源部分，起到开关作用的斩波管（K）有两 种工作方式1.3.1连续导通模式（CCM）开关管的工作频率一定，而导通的占空比（系数）随被斩波电压 的幅度变化而变化，如图8所示图中T1和T2的位置:T1在被斩波电压（半个周期）的低电压 区,T2在被斩波电压的高电压区,T1（时间） = T2（时间）.从图中可以 看到，所有的开关周期时间都相等，这说明在被斩波电压的任何幅 度时，斩波管的工作频率不变.从图8中可以看出，在高电压区和低 电压区，每个斩波周期内的占空比不同（T1和T2的时间相同，而上 升脉冲的宽度不同），被斩波电压为零时（无电压），斩波频率仍然不 变，所以称为连续导通模式（CCM），该种模式一般应用在250W〜 2000W 的 设 备 上。
1.3.2不连续导通模式（DCM）斩波开关管的工作频率随被斩波电压的大小变化，每一个开关周 期内“开”、“关”的时间相等，如图9所示.T1和T2时间不同,也反映 随着电压幅度的变化其斩波频率也相应变化.被斩波电压为“零”时, 开关停止（振荡停止），所以称为不连续导通模式（DCM）,即有输入电压 斩波管工作，无输入电压斩波管不工作.它一般应用在250以下的小功 率设备上，例如:海信TLM3277液晶电视接收机开关电源的PFC部分 即工作在DCM模式1.3.3临界导通模式⑷应）或过渡模式（TCM）工作介于CCM和DCM之间，工作更接近DCM模式.在上一个 导通周期结束后,下一个导通周期之前，电感电流将衰减为零,而且频 率随着线路电压和负载的变化而变化优点:廉价芯片、便于设计,没有开关的导通损耗，升压二极管的选择并 非决定性的；缺点:由于频率变化,存在潜在的EMI问题，需要一个设计精确的输入 滤波器T22基于Boost斩波电路的PFC电路仿真2.1Boost电路简单介绍升压斩波电路的原理图及其工作波形图如下所示：0,%0以-ut(b)工作波形图分析Boost电路的工作原理时，首先假设电路中电感L值很大， 电容C值也很大。
当VT处于通态时，电源".向电感L充电，充电 电流基本恒定为匕，同时电容C上的电压向负载供电，因C值很大， 基本保持输出电压U为恒值设VT处于通态的时间为Ton，则经 过计算输出电压与输入电压的关系为：Uo T/Toff *U ，输出电压高 于输入电压，故该电路为升压斩波电路2.2 Boost拓扑结构的PFC电路工作原理PFC需要采用双闭环控制，控制思路如下：首先利用传感器检测 电路的输出电流7o和输出电压相，然后通过检测的输出电压和给定电 压U,时进行差值，再把这个电流差值送给PI1调节器，然后再利用PI1 调节器输出的信号和同步信号进行相乘，得到的信号再和电流检测信 号进行PI调节，最后利用输出的信号作为脉宽调制信号与三角载波 进行调制，产生IGBT触发信号，对IBGT进行控制最终使得电网 侧电压和电流同相2.3用MATLAB里的SIMULINK进行仿真建模鼻 untitled7777/Subsystem - I 口 回 I 兀:2.4参数设置及仿真结果本实验电网侧交流电源为匕〃 =311 sin（ 100兀t）,负载端稳定参考电压V 400v,开关频率fS =1°KHZ , L = 0.6mH , C = 2000uF，负载电阻R = 53Q ,设置锯齿载波幅值为t.o2.4.1设置t=3.5时，仿真结果及傅里叶频谱分析如下[File] Edit View Insert Tools Desktop Window Help.Powergui FFT Analysis Tool.□ a用性性0最易山，|急|□匡(rawauJrapunIJLM—oeBraIAI［制回i—Available signalsStructure :H 。