功率因数校正（论文）

中 文 摘 要

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：功率因数校正，整流器，UC3854

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Abstract

Abstract

PFC (Power Factor Correction) is an effective method to reduce harmonic currents in power grids. The principle of traditional active power factor correction (APFC) are introduced, and analyze the current impact and the ripple noise problems owing to the diode reverse recovery about PFC main circuit which is in practical applications. A single-phase Boost power factor corrector with centrally tapped inductor is proposed. Using the average current model，UC3854 controls the state of the switching transistor in the circuit by outputting a series of PWM (Pulse Width Modulation) signals By this mean it readjusts input current and output voltage to synchronization , thus fulfilling power factor Correction.

Compared with the main circuit of traditional PFC, only several windings are added on magnetic ring and tapped, which effectively suppresses the impact current, reduces the ripple noise and improves the reliability of PFC main circuit. Problems of cusp distortion, output voltage shifting and output voltage regulation with heavy load are analyzed and solutions are given respectively. At the same time, protecting circuit for pins of UC3854 and current amplifier clamping circuit to limit the output voltage swing are designed. The simulation and experiment show that, the proposed PFC design is rational, reliable and compatible with popular PFC control circuit, while its power factor reaches 0.99.

Key word: power factor correction, rectifier,UC3854

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摘 要 ............................................................................ 错误！未定义书签。 ABSTRACT（英文摘要） ............................................. 错误！未定义书签。 目录 ................................................................................ 错误！未定义书签。 第一章 引 言 .............................................................. 错误！未定义书签。 1.1 课题研究的意义 .................................................. 错误！未定义书签。 1.2 功率因数校正技术的研究现状 ........................... 错误！未定义书签。 1.3 主要研究内容 ...................................................... 错误！未定义书签。 第二章 单相功率因数校正的基本原理 ...................... 错误！未定义书签。 2.1 功率因数的基本概念 .......................................... 错误！未定义书签。 2.1.1 功率因数的定义 ........................................... 错误！未定义书签。 2.1.2 功率因数PF与总电流谐波畸变(THD)的关系错误！未定义书签。 2.1.3 功率因数校正的分类 ................................... 错误！未定义书签。 2.2 有源功率因数校正的基本原理 ........................... 错误！未定义书签。 2.3 APFC的典型控制方法 ....................................... 错误！未定义书签。 2.3.1 峰值电流型控制(Peak Current Mode Control)错误！未定义书签。 2.3.2 电流滞环控制(Hysteresis Current Control) .. 错误！未定义书签。 2.3.3 平均电流型控制(Average Current Mode Control) 错误！未定义书签。

第三章 有源功率因数校正主电路方案论证 .............. 错误！未定义书签。 3.1 单相功率因数校正电路在实际应用中的问题 .... 错误！未定义书签。 3.2 三种改进型单相功率因数校正主电路拓扑 ........ 错误！未定义书签。 3.3 方案比较 ............................................................. 错误！未定义书签。 第四章 500W Boost型PFC实验电路的设计 .......... 错误！未定义书签。 4.1 功率因数校正芯片UC3854 ................................ 错误！未定义书签。 4.1.1 UC3854简介 ................................................ 错误！未定义书签。 4.1.2 引脚功能概述 ............................................... 错误！未定义书签。 4.1.3 UC3854保护功能 ........................................ 错误！未定义书签。 4.2 Boost型PFC实验电路的技术指标及PFC目的 错误！未定义书签。

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4.2.1 系统的主要技术指标 ................................... 错误！未定义书签。 4.2.2 PFC的目的 ................................................ 错误！未定义书签。 4.3 系统主电路的设计 .............................................. 错误！未定义书签。 4.3.1 Boost变换器的设计 ..................................... 错误！未定义书签。 4.4 基于UC3854芯片系统控制电路的设计 ............ 错误！未定义书签。 4.4.1 外围电路的设计 ........................................... 错误！未定义书签。 4.4.2 电流误差放大器补偿网络的设计 ................ 错误！未定义书签。 4.4.3 电压误差放大器补偿网络的设计 ................ 错误！未定义书签。 4.5 功率因数校正器的优化设计 ............................... 错误！未定义书签。 4.5.1 传统校正电路及其存在问题 ........................ 错误！未定义书签。 4.5.2 主电路性能优化设计 ................................... 错误！未定义书签。 4.5.3 控制电路优化设计 ....................................... 错误！未定义书签。 第五章 系统仿真及分析 ............................................. 错误！未定义书签。 5.1 输入电压输入电流波形仿真 ............................... 错误！未定义书签。 5.2 谐波分析 ............................................................. 错误！未定义书签。 5.3 关键点波形 .......................................................... 错误！未定义书签。 5.4 应用 Protel 绘制原理图 ..................................... 错误！未定义书签。 结 论 ............................................................................ 错误！未定义书签。 参考文献 ....................................................................................................... 44 致谢及声明 .................................................................... 错误！未定义书签。

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第一章 引言

第一章 引 言

1.1 课题研究的意义

随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装置在电力系统、工业、交通和家庭中的应用日益广泛，而谐波所造成的危害也日益严重，这己经严重阻碍了电力电子技术的发展。

从220V交流电网经整流供给直流是电力电子技术及电子仪器中应用极为广泛的一种基本变流方案。在含有AC/DC变换器的电力电子装置中，DC/DC变换器或DC/AC变换器的供电电源一般是由交流市电经整流和大电容滤波后得到较为平直的直流电压。大家都知道整流器——电容滤波电路是一种非线性元件和储能元件的结合，因此，虽然输入交流电压是正弦波，而输入交流电流却是一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流，波形严重畸变。对这种畸变的输入电流进行傅立叶分析，它除含有基波外，还含有大量的高次谐波分量。这些高次谐波倒流入电网，引起严重的谐波“污染”，造成严重危害。其主要危害有[1]：

（1）产生“二次效应”。即谐波电流在输电线路阻抗上的压降会使电网电压 (原来是正弦波)发生畸变，影响各种电气设备的正常工作。

（2）谐波会造成输电线路故障，使变电设备损坏。例如，线路和配电变压器过热、过载。在高压远距离输电系统中，谐波电流会使变压器的感抗与系统的容抗发生LC谐振；在三相电路中，中线电流是三相三次谐波电流的叠加，因此，谐波电流会使中线电流过流而损坏，等等。

（3）谐波影响用电设备。例如，谐波电流对电机除增加附加损耗外，还会产生附加谐波转矩、机械振动等，这些都严重影响电机的正常运行;谐波可能使白炽灯工作在较高的电压一下，这将导致灯丝工作温度过高，缩短灯丝的使用寿命，等等。

（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准。

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第一章 引言

（5） 谐波会对通信电路造成干扰。电力线路谐波电流会通过电场祸合、磁场祸合和共地线祸合对通信电路造成影响。

有源功率因数校正技术是在整流器和滤波电容之间增加一个DC/DC开关变换器。其主要思想如下:选择输入电压为一个参考信号，使得输入电流跟踪参考信号，实现输入电流的低频分量与输入电压为一个近似同频同相的波形，以提高功率因数和抑制谐波:同时采用电压反馈，使输出电压为近似平滑的直流输出电压。简而言之，有源功率因数校正技术的目的是使输入电流跟踪输入电压，并使输出电压稳定。

近年来，高频开关电源在国民生活中的使用越来越广泛，特别是现在提倡“绿色电源”，要求装置对电网无污染，主要包括谐波含量、功率因数、波形畸变等。解决这个问题的积极办法就是采用功率因数校正(PFC)技术。因此本文对功率因数校正技术的研究具有一定的现实意义和实用价值。

1.2 功率因数校正技术的研究现状

对于作为主要谐波源且功率因数很低的整流器，抑制谐波和提高功率因数的基本思路有两条：一是装设补偿装置对其谐波进行补偿，二是对整流器本身进行改进。与设置补偿装置来补偿谐波相比，改进变流器自身性能的方法是一种更积极的方法，也是目前的研究热点之一。

在电路的单相PFC控制中，一般有两种方法控制系统的功率变换。第一种是单级转化，它将输入电流控制、负载电压调整以及可能需要的输入输出隔离合成一个功率级；另一种方法是二级策略，即输入级控制输入电流，并提供一个初步变换的输出电压，将负载调整作为第二级，不同的功率级拓扑有其不同的功能。目前，单相功率因数校正技术已是一项成熟的技术。

为了提高AC-DC开关变换器输入端功率因数，最简单的方法是采用无源校正技术，即在整流输出端接LC滤波器。这种方法虽然也能使PF提高到0.9左右，但它只能对某型指定的谐波进行抑制和基波相移补偿，无

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第一章 引言

论体积、重量、价格等因素都限制了它在实际中的应用。有源功率因数校正(APFC)技术是在变流装置的整流电路与输出电容之间增加了一个功率变换电路，实际上是一个特殊控制的DC-DC开关变换器，可利用输入电流和输出电压双环控制环路，使输入电流波形接近正弦，与输入端同相，从而使输入端功率因数接近于1.0，而且具有稳定的直流输出电压。最常见的APFC电路是Boost开关变换器，可以采用峰值电流、平均值电流或滞环电流等模式进行控制。

有源功率因数校正技术适应了电力电子技术的发展方向，近年来受到广泛重视。目前，国内外在PFC控制技术、数学模型的建立、检测手段等方面都作了大量的研究。对于小功率(100 W以下)AC-DC开关电源，现在国内外正在研究单级高功率因数电路(APFC电路和开关电源只用一级电路构成)，功率因数可达0.9，而成本只增加5%。

国际产业界也开发研制出许多专用APFC控制芯片，UNITRODE，TOKO、MICROLINER，MOTOROLA等国际知名IC公司生产的APFC控制IC达64种之多，极大的简化了有源功率因数电路的设计，推动了APFC技术的发展和应用。

1.3 主要研究内容

本文在对国内外有源功率因数校正技术分析、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。

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第一章 引言

（3）分析Boost变换器各个环节的电压、电流的变化情况及电路波形。 （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。

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第二章 单相功率因数校正的基本原理

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

PV1I1rmscos?I1rmsPF????cos?1?rcos?1FV1Irms(total)Irms式中 I1rms表示输入基波电流有效值；

Irms(total)表示输入总电流有效值； r=

I1rmscos?表示输入电流失真系数；

V1Irms(total)cos?1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(cos?1)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[2][3]

THD?式中II22rms?I23rms??I2nrms?I?10000?n?2?2nrmsI1rmsnrmsI1rms?10000

为n次谐波电流有效值；

因此功率因数（PF）的表达式可变换为

PF=

I1rmsI1rms?cos?1??cos?1=222IrmsI2rms?I3rms??InrmsI1rms?In?2?

2nrms即 PF=cos?11?(THD)2 - 5 -

第二章 单相功率因数校正的基本原理

由上式可以看出，可以采用两种方法来提高功率因数(PF)：一是就最大限度地抑制输入电流的波形畸变，使THD 值达到最小；二是尽可能地使电流基波与电压基波之间的相位差趋于零，使cos?=l，从而实现功率因数校正。利用功率因数校正技术，可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形的变化，使输入电流呈纯正正弦波，并且和输入电压同相位。

2.1.3 功率因数校正的分类

PFC技术的主要方法可以分为无源PFC技术和有源PFC技术。 无源PFC技术采用无源器件，如电感和电容组成的谐振滤波器，实现PFC功能，主要优点：简单、成本低及电磁干扰（EMI）小等。主要缺点：难以得到高功率因数，低频时元器件尺寸和重量大，工作性能与频率、负载变化和输入电压变化有关，电感和电容间有大的的充放电电流等。

有源PFC技术采用有源器件，如开关管和控制电路，通过控制开关管的动作，实现输入电流跟随输入电压波形的变化，从而获得高的功率因数。有源PFC技术主要优点：功率因数高，总谐波畸变（THD）小，输入电压工作范围宽，输出电压可保持稳定等；主要缺点是：电路复杂，成本增加，效率会下降。有源PFC技术已经广泛应用在AC-DC开关电源，UPS电源，电子镇流器等电子仪器中[4]。

2.2 有源功率因数校正的基本原理

有源功率因数校正APFC(Active Power Factor Correction)的基本电路由两大部分组成：主功率电路和控制电路，如图2-1所示。其基本思想是：将输入的交流电压进行全波桥式整流，对得到的整流直流电压进行DC-DC变换。通过相应的控制(PWM调制)使输入电流平均值自动跟随全波整流电压基准，呈正弦波形，且相位差为零，使输入阻抗呈纯阻性，从而实现其功率因数为1。

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