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1、 毕 业 设 计（论 文）CCM单相boost功率因数校正系统的分析与研究系别：专业名称：学生姓名：学号：指导教师姓名、职称：完成日期 年 月 日1摘要本文设计了一种高功率因数、低电磁干扰的单级CCM-BOOST功率因数校正电路。首先对有源功率因数校正电路进行了详细的分析。基于对有源功率因数校正电路的双级式和单级式结构的特点比较，本文采用了单级式的电路结构。选择Boost电路为有源功率因数校正电路的主电路，给出了Boost电路的组成并分析了它的工作过程。在此基础上本文采用连续导电工作模式(CCM)和平均电流控制策略，并应用DSP作为有源功率因数校正电路的控制芯片。对TMS320LF2407A芯
2、片的工作原理及各引脚功能作了介绍，对相应的控制部分的控制输入、乘法器、电压环和电流环部分进行了详细的分析。最后，在上述对有源功率因数校正电路做了优化基础上，在输入电压为市电220V/50Hz条件下，对有源功率因数校正电路进行优化，输出400V直流电，并应用MATLAB软件进行了仿真计算。关键词：功率因数校正PFC技术；MATLAB仿真；Boost电路IAbstractA single stage CCM-BOOST power factor correction circuit with high power factor and low electromagnetic interferenc
3、e is designed in this paper. First of all, the active power factor correction circuit is analyzed in detail. Based on the comparison of the two stage and single stage structures of the active power factor correction (APFC) circuit, a single stage circuit is adopted in this paper. The Boost circuit i
4、s selected as the main circuit of the active power factor correction circuit, and the composition of the Boost circuit is given and its working process is analyzed. On this basis, the continuous conduction mode (CCM) and the average current control strategy are adopted in this paper, and DSP is used
5、 as the control chip of active power factor correction circuit. The working principle of TMS320LF2407A chip and the functions of each pin are introduced. The control input, multiplier, voltage loop and current loop part of the control part are analyzed in detail. Finally, based on the above optimiza
6、tion of active power factor correction circuit, the active power factor correction circuit is optimized under the condition of input voltage of 220V/50 Hz, and 400V DC power is output, and the simulation is carried out by using MATLAB software.Key words: power factor correction (PFC) PFC technology;
7、 MATLAB simulation; Boost circuitII目 录摘要IAbstractII1、前言11.1研究背景及意义11.2研究价值11.3国内外研究现状11.4研究方法32、基于DSP的PFC数字系统采样硬件设计42.1数字控制平台选取及外围电路设计42.1.1 DSP控制器的选用42.1.2 时钟模块硬件电路62.1.3 复位电路72.1.4DSP控制器晶振电路82.2数字控制器的主电路设计82.2.1有源功率因数校正电路的原理82.2.2采样算法和采样频率的选择92.2.3 PWM信号的产生112.2.4 PFC升压转换器的结构142.3 Boost型功率因数校正器的设计
8、与实现142.3.1前馈电压环节(Fcn(qk)的设计142.3.2电压反馈环节(Fcn(bk)的设计152.3.3电流环（Fcn(I)）的设计163、单相有源功率因数校正电路仿真173.1 建立仿真模型173.2 仿真结果分析183.3 对系统进行分析23总结25参考文献26致谢27附录28III1、前言1.1研究背景及意义随着功率半导体开关器件技术有了一定的进步，促使了电力电子变流装置技术的飞速发展，同时也出现了基础以脉宽调制(PWM)控制的各种变流装置：比如高频开关电源、变流器、逆变电源以及各类特种变频器等等，电力电子装置在整个国民经济各个领域中得到了广泛的应用。而随着电力电子装置的大量
9、使用同时也带来了一些不容忽视的问题，比如：目前大量的变流装置要通过整流环节以获得直流电压，传统的二极管整流和相控整流环节，不仅直流侧电压质量低，而且还会对电网注入大量的谐波及无功功率，同时造成了严重的电网“污染”。传统的模拟电路控制相对于数字电路控制来说，两者各有优劣，但是由于模拟控制电路暂时无法摆脱非线性、误差、漂移、老化等诸多的影响，因此在现代电源的发展中显得有些捉襟见肘了。这也使得效率更高、速度更快、控制精度更高的数字控制电源逐步有了更大的应用市场。1.2研究价值传统的功率因数校正技术采用模拟电路控制，对于传统的模拟PFC控制方案，人们从控制策略、建模分析、电路拓扑等多角度对有源功率因数
10、校正技术进行了深入的研究，取得了长足的发展，一般模拟PFC电路主要是由专用的集成控制芯片来实现。简而言之，如何选择最优满足用电的电力电子变流装置技术服务已经成为目前学术界和业界所面临的一大挑战。PWM整流器数量越来越庞大的背景下，通过抑制电力电子装置是不现实的，也容易出现偏差和疏漏，本课题主要围绕从脉宽调制(PWM)控制策略出发的变流器电路设计方法以及PFC校正技术展开，进行一定程度的探索和研究。总之，功率因数校正技术研究的热点问题集中在：基于己有的原理新拓扑结构的提出；把软开关等技术应用于PFC电路中；单级PFC稳压开关变换器的稳定性等的研究。因此，高性能、低成本、控制方便的功率因数校正技术
11、是研究的方向。1.3国内外研究现状就基于DSP控制的有源功率因数校正技术（APFC）领域来说，美国的Virginia电力电子中心处于这一领域的前端，国内的某大学与Virginia电力电子协作中心也在开展这一方向的研究3。此外，国际上一些著名的DSP芯片厂商以各自DSP芯片为基础，在这方面也作了大量的研究，提出了一些经典的控制方法和算法。从目前国内外研究的现状来看，在这个领域的研究主要集中在以下几个方面：拓扑结构，控制算法，采样算法。（1）拓扑结构方面的研究现状目前，许多文献对数字控制PFC电路的研究都是以Boost变换器的主拓扑结构为基础的，这主要是考虑到Boost变换器的各项优点，当然，Bo
12、ost变换器结构并不是实现PFC电路的唯一拓扑，多年来，人们也在不断的研究基于其他拓扑结构的PFC电路，在理论和实验上都取得了一定的成果。由于分布式电源技术的日益发展，复杂的负载可以被分离为几组，分别由单独的电源供电，这样，使用简单的功率变换单元，通过不同的级联方式，就可以满足不同的变换需要。而前端变换器通常采用模块式结构，可以在三相电源的每相平均配置模块数量。因此，在今后的研究中，对数字控制PFC电路的研究，势必将继续优先选择简单的单相Boost变换器为主拓扑结构3。（2）控制算法的发展概况在大多数文献中，参照模拟控制电路的结构，数字控制PFC仍采用电压环和电流环双闭环控制结构，控制算法采用
13、经典的PI控制算法，这主要是因为此算法结构简单，容易实现。加上软件设计的灵活性，PI算法还可以不断得到修正和改进。随着现代控制理论的不断发展。更多更新更高级的算法不断涌现。将模糊控制算法引入数字控制PFC系统1，将模糊逻辑控制技术结合到对开关占空比调节控制的环节，从而调整输入电流的波形使之于整流后的输入电压波形保持一致，取得了理想的控制效果。在电流控制环节采用系统的THD(Total Harmonic Distortion)作为目标函数，使用最速下降的优化法则作为控制方法，不断减小系统的THD从而提高系统功率因数，并通过实验仿真证明，采用此新算法，可以克服由于DSP固有的处理速度导致的对开关频
14、率的限制2。提出的无差拍改进策略，开关占空比经过几个开关周期才更新一次，进一步减小了处理器的计算工作量。在这个控制系统中没有电流检测的环节，在每半个工频周期中，要实现功率因数为1所需要的占空比，可以通过无差拍法则提前得到，这样，极大的减小了每个开关周期DSP的运算工作量。此外，自适应控制，预测控制等控制策略的应用，也得到一定的探讨。（3）采样算法的研究现状对采样算法而言，主要集中在对采样点选取的研究。由于数字控制的根本在于DSP芯片的性能，其中包括其内部的A/D转换模块的转换速度，这使得要满足实时检测与反馈有一定难度。大多数文献采用的是每个周期采样一次的采样方法，即SSOP(Single Sa
15、mpling in One Period)。数字控制电路需要对三个模拟量进行检测采样3，即电感电流Li，整流后输入电压inv和输出电压ov，其中电流采样点的选取最为重要，采样点选取的不合适，会加重电流波形的波形畸变，甚至导致系统不稳定。采用的是一种固定延时采样的算法，以每个开关周期的起始时刻为起点，延迟一定的时间后，A/D转换器开始采样。这种方法虽然能够避免把采样点选取在振荡区，但会导致实际采样值和理想控制值之间产生较大的误差，最终使得控制效果不太理想。在输出电压引入电压控制环之前，使用了一个数字陷波滤波器，可以解决上面提及的问题，提高动态响应的速度，得到好的控制效果，然而实现起来却比较复杂。使用改进的SSOP算法4，考虑开关开通和关断过程的噪声振荡时间和A/D采样保持时间，调节采样点的选取，使之在每次采样时并不固定在某一点，以当前的采样信号计算下个周期的开关导通时间，避免了开关噪声的影响，提高了基于平均电流模式控制的开关电源的抗干扰性。而就传统的上升沿或下降沿采样算法，提出新的交替边沿采样的思想，采样点的选择取决于电感电流上升时间和下降时间，亦即开关打开时间和关断时间的长度比较的结果，采用此方法，在数字控制中易于实现，用一个定时器就可以达到预想。近
