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1、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 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1041 指导教师 起讫时间：2012年2月21日2012年4 月15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
2、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
3、；整流器目 录摘 要I第1章 引言11.1 研究课题的意义11.2 功率因数校正技术的研究现状31.3 主要研究内容4第二章 单相功率因数校正的基本原理52.1 功率因数的基本概念52.1.1 功率因数的定义52.1.2 功率因数PF与总电流谐波畸变(THD)的关系52.1.3 功率因数校正的分类62.2 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83.1单相功率因数校正电路在实际应用中的问题83.2 三种改进型单相功率因数校正主电路拓扑103.3 方案比较12第四章 系统仿真及分析134.1输入电压输入电流波形仿真134.2 谐波分析154.3 关键点波形174.4
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，功率因数PF =。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
5、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
6、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
7、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
8、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（BoostAPFC）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
9、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
10、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、功率开关管直接接地等优点, 成为最常用的PFC电路。随着开关频率的提
11、高，把诸如软开关技术等新技术应用于中大功率PFC电路中是提高PFC转换效率、抑制谐波分量和电磁干扰(EMI)问题，提高PFC性能指标的一个重要研究方向1.2 功率因数校正技术的研究现状目前开关电源多数是通过整流器与电力网相接的，经典的整流器是由二极管或晶闸管组成的一个非线性电路，在电网中会产生大量的电流谐波和无用功功率而污染电网，使功率因数较低，一般仅为0.45-0.75，且其无功分量基本上为高次谐波。开关电源已成为电网最主要的谐波源之一。于是功率因数校正便应运而生。追求高质量的电力供需，一直是全球各国所想要达到的目标，然而大量的兴建电厂，并非解决问题的唯一途径，一方面提高电力供给的能量，一方
12、面提高电气产品的功率因数（Power factor）或效率，才能有效解决问题。有很多电气产品，因其内部阻抗的特性，使得其功率因数非常低，为提高电气产品的功率因数，必须在电源输入端加装功率因数修正电路提高功率因数主要有两个途径：一是使输入电流正弦化以尽可能的减小电流畸变因数；二是使输入电压电流同相位以尽可能地减小位移因数。解决以上问题的有效方法是在整流器与滤波电容之间加一级功率因数校正环节。抑制谐波，提高功率因数的传统方法是采用无源校正,即在主电路中串入无源LC滤波器。这种方法虽然简单可靠,但是体积大、重量大,难以得到非常高的功率因数,工作性能与频率、负载变化及输入电压变化有关，电感和电容间有大
13、的充放电电流。有源功率因数校正技术(Active Power Factor Correction ,APFC) 是在整流电路和负载之间接入一个DC/ DC开关变换器，利用电流反馈技术，迫使交流输入电流跟踪交流输入电压变化，从而获得近乎正弦波的交流输入电流和接近于1的功率因数,同时还可以大大减小THD。方案应用了有源器件，故称之为有源功率因数校正。该方案的主要优点是可得到较高的功率因数，THD小，可在较宽的输入电压范围(如交流90264V) 和宽频带下工作，体积、重量小，输出电压恒定。目前单相的PFC 技术已经成熟，三相的PFC电路处于研制阶段1.3 主要研究内容本文在对国内外有源功率因数校正技
14、术分析、研究的基础上，进行Saber仿真对Boost型有源功率因数校正器系统进行深入的研究。论文主要从以下几个方面展开研究：（1）概述功率因数校正技术的发展状况及其分类，本课题的研究目的及意义。（2）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器几种主功率拓扑进行分析和比较，并总结各自的优缺点；指出几种改进型功率因数校正主电路拓扑；并说明改进后电路的特性；对有源功率因数校正电路的控制策略进行了详细的分类阐述，总结各自的优缺点及适合的应用场合。通过分析比较确定本文研究的对象平均电流控制模式的Boost型功率因数校正技术。（3）分析Boost变换器各个环节的电压、电流的变化情况及电路
15、波形。（4）对Boost型PFC系统进行了仿真，并比较分析系统在功率因数校正前后的输入电压电流波形和输出电压波形的变化，结果验证本文的方法，设计Boost型PFC电路的各参数可获得满意得效果，说明这种设计方法的合理性。第二章 单相功率因数校正的基本原理2.1 功率因数的基本概念2.1.1 功率因数的定义功率因数(PF)是指交流输入有功功率(P)与输入视在功率(S)的比值。即式中 表示输入基波电流有效值；表示输入总电流有效值；r=表示输入电流失真系数；表示基波电压与基波电流之间的相移因数，因此功率因数PF又可定义为输入电流失真系数(r)与相移因素()的乘积。2.1.2 功率因数PF与总电流谐波畸变(THD)的关系根据总谐波畸变的定义23式中为n次谐波电流有效值；因此功率因数（）的表达式可变换为=即 =由上式可以看出，可以采用两种方
