全桥移相大功率开关电源的设计

关于全桥大功率开关电源电路的详细设计资料

江南大学

硕士学位论文

全桥移相大功率开关电源的设计

姓名：石宏伟

申请学位级别：硕士

专业：控制工程

指导教师：沈锦飞

20080301

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摘要

捅要

随着电力电子技术的快速发展，对电源设备尤其是大功率电源设备的要求越来越高。由于不可控整流器在功率设备中的广泛应用，各种谐波对电网的污染也变得十分严重，使得电能的生产、传输和利用的效率降低。为了解决这一问题，我们必须对输入电流进行校正，使其正弦化，来提高系统的功率因数。同时，直流软开关技术是电力电子装置向高频化、高功率密度发展的关键技术。目前大功率电源的功率因数校正（ＰＦＣ）技术和ＤＣ他Ｃ软开关技术是电力电子技术方面研究的重点问题。

本论文结合开关电源发展的现状，分析和研究了开关电源在高频和大功率情况下的实现方案，并对高频大功率（２０ＫＨｚ，３ＫＷ）开关电源的主电路和控制电路进行了理论设计和参数估算。变换器分为前后两级，前级采用Ｂｏｏｓｔ型的单相有源功率校正电路，后级采用移相控制零电压（ＺｖＳ）技术的全桥变换电路。论文首先进行了前后级的方案设计，从理论上分析了有源功率因数校正技术的基本原理，并详细分析了的工作过程和介绍了这部分电路控制芯片，然后对整个功率因数电路进行参数设计；介绍了移相全桥的特点，具体分析了移相全桥变换的工作过程，并对移相全桥电路进行了相应的参数设计。

文章最后应用ＰＳＰＩＣＥ软件对整个系统进行了仿真分析，对理论设计进行修正。结果表明系统设计可行，性能指标基本可以满足设计要求。关键词：开关电源；功率因数校正；移相全桥；软开关

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Ａｂｓｔｒａｃｔ

ＡｂｓｔｒａＣｔ

ＷｉｔｈｔｈｅｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＰｏｗｅｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，ｔｈｅｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｐｏｗｅｒｉｓ盯ａｄｕａｌｌｙｂｅｉｎｇｐｅｒｆｅＣｔ．Ｄｕｅｔｏｗｉｄｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｔｈｅｒｅｃｔｉｆｉｅｒｓ，Ｖａ—ｏｕｓ

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ｔｅＣｈｎｉｑｕｅａｒｅ（ＰＦＣ）ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ

丘．ｅｑｕｅｎｃｙａｎｄａＩｌｄＤＣ／ＤＣｓｏＲ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇＰＷＭｂｏｔｈｗｉｄｅｌｙｒｅｓｅａｒｃｈｅｄ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｍｐｏｓｅｄｔｈｅｃｏｎｃｒｅｔｅｈｉ曲ｐｏｗｅｒｂａＳｅｄｏｎｓＣｈ锄ｅｆｏｒｍｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｍｏｄｅｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙｗｉｍｈｉ曲ｔｈｅｄｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆＳＭＰＳ．Ｔｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅａｎｄｐａｒ锄ｅｔｅｒＳ

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ｃａｎｃｏｎＶｅｒｔｅｒｍｅｅｔｍｅｄｅｍａｎｄｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＳｗｉｔｃｈｉｎｇＰｏｗｅｒＳｕｐｐｌｙ；ＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎ；Ｐｈａｓｅ－ｓｈｉＲｉｎｇｃｏｎｔｒ０１；ＳｏＲ—ｓｗｉｔｃｈｉｎｇＩＩ

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独创性声明

本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含本人为获得江南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。

签名：石宕弗日期：二ｏｏ八年三月十一日

关于论文使用授权的说明

本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定：江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文，并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。

保密的学位论文在解密后也遵守此规定。

签名：星窒章导师签名：

日期：二ｏｏ八年三月十一日

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第一章绪论

第一章绪论

１．１课题的背景及意义

电源是给电子设备提供所需要的能量的设备，任何电子设备都离不丌电源，这就决定了电源在电子设备中的重要性。电子设备要获得好的工作可靠性必须有高质量的电源，所以电子设备对电源的要求日趋增高…。

现有的电源主要由线性电源和开关稳压电源两大类组成。这两类电源由于各自的特点而被广泛应用【引。线性稳压电源的优点是设计简单、成本低廉、稳定性好、可靠性高、输出电压精度高、输出纹波电压小、无高频辐射干扰。它的优良的输出特性，使其在对电源性能要求较高的场合仍得到广泛地应用。但它的不足之处也非常明显：

（１）对供电电网电压的波动敏感；

（２）要求采用工频变压器和滤波器，它们的重量和体积都很大：

（３）调整管的功耗较大时电源的效率大大降低，一般情况不会超过５０％：

（４）过载能力差；

（５）电源的功率因数低，一般在０．伽．７之间。

相对于线性稳压电源来说，开关稳压电源的优点更能满足现代电子设备的要求，从２０世纪中期开关稳压电源问世以来就倍受关注，特别是２０世纪８０年代以后，由于电力电子技术的发展和新型电力电子器件的产生，使其在计算机、通信、航天、办公和家用电器等方面得到广泛应用，大有取代线性稳压电源之势。

开关稳压电源的主要优点有；

（１）效率高；

（２）可靠性和稳定性较好；

（３）体积小、重量轻；

（４）对供电电网电压的波动不敏感，在电网电压波动较大的情况下，仍能持续较稳定的输出。

但是，由于开关电源中的功率开关管处于开关状态，使其存在输出纹波电压较高、瞬变响应较差、对电网和外部电子设备有电磁干扰等缺点。

今后，开关电源的发展，除了继续保持已有的优点外，主要是采用技术和工艺措施来克服上述缺点。

１．２国内外开关电源的研究现状和发展趋势

１．２．１高频开关电源技术的发展及现状Ｄ¨町

１９５５年美国罗耶发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端。１９５７年美国查赛发明了自激式推挽双变压器。在１９６４年美国科学家们提出了取消工频变压器的开关电源的设想。直到１９６９年终于做成了２５千赫的开关电源。这一电源的问世，在世界各国引起了强烈反响，从此对开关电源的研究成了国际会议的热门课题。自２０世纪６０年代开始得到发展和应用的Ｄｃ．ＤＣ功率变换技术，其实是～种硬开关技

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术。６０年代中期，美国已研制成２０ｋＨｚＤＣ．ＤＣ变换器及电力电子开关器件，并应用于通信设备供电。由于这种技术抛弃了５０Ｈｚ工频变压器，使直流电源的重量、体积大幅度减小，电源效率和输出直流电的质量得以提高。到７０年代初期，这种技术己在先进国家普遍采用。早期开关电源的控制电路一般以分立元件的非标准电路为主，经过十多年的发展，国外在１９７７年左右进入控制电路集成化阶段。这标志着开关电源的重大进步。８０年代初英国采用上述原理，研制了第一套完整的４８Ｖ成套电源，即目前所谓的开关电源（ＳＭＰ—ＳｗｉｔｃｈＭｏｄｅＰｏｗｅｒ）或开关整流器（ＳＭＲ．ＳｗｉｔｃｈＭｏｄｅＲｅｃｔｉｆｉ哪。

７０年代以来，在硬开关技术发展和应用的同时，国内外电力电子界和电源技术界不断研究开发高频软丌关技术。

在７０年代，最先出现了全谐振型变换器，一般称之为谐振变换器（Ｒｅｓｏｎａｎｔ

ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）。它实际上是负载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换器（ＳｅｒｉｅｓｒｅｓｏｎａｎｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒＳ，ＳＲＣｓ）和并联谐振变换器（Ｐａｒａｌｌｅｌｒｅｓｏｎａｎｔｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，ＰＲＣｓ）两类。此类变换器一般采用频率调制的方法，且与负载关系很大，对负载变化很敏感，在谐振变换器中，谐振元件一直处于谐振工作状态，参与能量变换的全过程。

准谐振变换器（Ｑｕａｓｉ．ｒｅｓｏｎａｎｔｃｏｎｖｅｎｅｒｓ，ＱＲＣｓ）和多谐振变换器（Ｍｕｌｔｉ—ｒｅｓｏｎａｎｔ

ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，ＭＲＣＳ）出现在８０年代中期。这是软开关技术的一次飞跃，这类变换器中的谐振元件只参与能量变换的某一个阶段，而不是全程。它也是采用频率调制的控制方法。

８０年代末出现了零开关ＰＷＭ变换器（ＺｅｒｏｓｗｉｔｃｈｉｎｇＰＷＭｃｏｎｖｅｎｅｒＳ），它可以分为零电压开关ＰｗＭ变换器（Ｚｅｒｏ．ｖｏｌｔａｇｅ．ｓｗｉｔｃｈｉｎｇＰＷＭｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）和零电流开关ＰＷＭ变换器（Ｚｅｒｏ．ｃｕｒｒｅｎｔ．ｓｗｉｔｃｈｉｎｇＰＷＭｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）两种。它们采用的是ＰＷＭ控制，谐振元件的谐振工作时间一般为开关周期的ｌ／ｌＯ．１／５０。

９０年代初出现了零转换ＰＷＭ变换器（Ｚｅｒｏｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｃｏｎｖｅｎｅｒｓ）。它也分为零电压转换ＰｗＭ变换器（Ｚｅｒｏ．ｖｏｌｔａｇｅ．ｔｒａＪｌｓｉｔｉｏｎｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）和零电流转换ＰＷＭ变换器

（ｚｅｒｏ．ｃｕｌｌｒｅｎｔ．ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｃｏｎｖｅｎｅｒｓ）两种。它是软开关技术的又一次飞跃。其特点是变换器工作在ＰＷＭ方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作一小段时间，实现主开关管的软开关，其它时间则停止工作。其损耗很小。

在环境保护意识日益加强的２１世纪，电源系统的绿色化概念被提出。所谓电源绿色化首先是显著节能，因为节电可以减少发电对环境的污染；其次是电源不能（或少）对电网产生污染。事实上许多功率电子节能设备往往是电网的污染源。这些污染使得总的功率因数下降，使电网电压产生毛刺尖峰甚至畸变。２０世纪末各种有源滤波器和有源补偿器方案诞生，有了功率因数校正（ＰＦＣ—Ｐｏｗｅｒ

的绿色化奠定了基础。ＦａｃｔｏｒＣｏｒｒｅｃｔｏｒ）的方法，为开关电源产品

近年来，为缩小开关变换器的体积和重量，提高其功率密度，并改善动态响应，开关频率大幅度的提高，高频化成为一种趋势。小功率ＤＣ—ＤＣ变换器开关频率将由２００～５００ｋＨｚ提高到１ＭＨｚ以上，但是高频化又会产生新的问题：其一，开关损耗以及无源元件的损耗增大；其二，高频寄生参数影响增大以及高频电磁干扰问题严重。因此，为减小损耗，提高效率，采用了软开关技术，包括无源无损（吸收网络）软开关技术，有源

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第一章绪论

软开关技术。

１９８８年Ｒ．Ａ．Ｆｉｓｈｅｒ提出了移相控制全桥ＺｖＳ．ＰｗＭ变换器的概念并利用其做出了５００ＫＨｚ、２５０ｗＤｃ／Ｄｃ变换器【５】；２０００年浙大的ＤａＶｉｄＭ．ｘｕ采用在输出整流电路联谐振网络的方法【６】，做出了５ＫＷ、１００ｌ饵ｚ的ＺＣＴ－ＰＷＭ全桥ＤＣ／ＤＣ变换器，效率达９６％：２００４年张军明，张方等采用两个ＭＯＳ管组成输出整流的一个桥臂，做出了２．８ＫＷ、

２００ＫＨｚ的ｚＶＳ．ＰｗＭ全桥Ｄｃ／ＤＣ变换器巴现在１ＭＨｚ以上的Ｄｃ／ＤＣ电源的输出功率（未扩容）仅能达到几百瓦。目前在相当高的开关频率（大于３００ＩⅢｚ）下，基本上ＤＣ／ＤＣ电源的功率都比较小，因为开关电源大功率输出会遇到很多难点，例如，软开关方案的选择：ＭＯＳＦＥＴ的驱动及串并联问题；电路拓扑结构的选择；分布参数的影响等，因此对高频率、大功率的开关电源进行研究很有价值。

１．２．２高频开关电源技术发展趋势

开关电源相关技术正处于迅速发展阶段。开关电源正向小型化和轻量化发展，因此，高频化也就成为开关电源的主要发展方向之一。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感以及变压器的尺寸，而且还可抑制干扰、改善电源系统的动态性能。开关电源的缺点之一就是产生的电磁干扰较大。若单纯追求高频化，电磁干扰也会随之增大。软开关技术应用，既可以提高频率，又可以降低噪声，达到较好的动态性能【５】ｏ

进入２１世纪，开关电源的具体技术将在以下几方面有更大的发展１６】。

１）高性能碳化硅（ＳｉＣ）功率半导体器件的发展

可以预见，ＳｉＣ将是２ｌ世纪最有可能成功应用的新型功率半导体器件材料，其特点是：禁带宽，工作温度高，通态电阻小，导热性能好，漏电流极小，ＰＮ结耐压高等等。

２）高频磁技术

高频开关变换器中用了多种磁元件，有许多基本问题要研究，如高频下的寄生参数问题，满足高频要求的磁性材料，磁电混合集成技术等。

３）新型电容器

研究开发适合于功率电源系统用的新型电容器和超级大电容，要求电容量大，ＥＳＲ小，体积小等。

４）功率因数校正ＡＣ．ＤＣ开关变换技术

一般高功率因数ＡＣ．ＤＣ电源由两级组成：在ＤＣ．ＤＣ变换器前加一级前置功率因数校正器，至少需要两个主开关管和两套控制驱动电路，这样对于小功率开关电源来说，总体效率低，成本高

５）高频开关电源的ＥＭＣ研究

专门针对开关电源ＥＭｃ的研究工作，目前还处于起始阶段，在电磁兼容领域，存在着许多交叉学科的前沿问题有待研究。

６）开关电源的设计和测试技术

建模，仿真和ＣＡＤ是一种新的，方便且节省的设计工具，此外开关电源的热测试、ＥＭＩ测试、可靠性测试等技术的开发，研究与应用也是应大力发展的。

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７）低电压，大电流的丌关电源丌发

数据处理系统的速度和效率日益提高，新一代微处理器的逻辑电压可以低到１．１～１．８Ｖ，而电流达５０～１００Ａ，因此对其供电电源的要求是：输出电压很低，输出电流大，电流变化率高，响应快等。

１．３论文的主要内容及安排

本课题根据当前高频开关电源的现状和进展，采用现今应用广泛的移相全桥ＰＷＭ控制来满足大功率的要求，同时应用ＺＶＳ软开关技术减小开关器件的损耗，将工作频率提高到２０ＫＨｚ，使输出功率提高到３ＫＷ，并针对高频开关电源中的一些问题，如主电路软开关的实现，功率器件的并联及驱动，高频变压器的设计，系统的ＥＭＩ设计等问题进行研究，并在仿真中进行了验证。本课题拟采用模块化的设计方法，通过理论估算、软件仿真等环节设计开关电源。主要设计内容包括：

１）主功率变压器、各电感的参数设计

２）输入整流部分参数设计

３）逆变部分参数设计

４）驱动电路的设计

５）控制电路及保护电路设计

在设计的基础上，利用ＰＳＰＩＣＥ进行仿真，并根据仿真结果对设计进行验证和改进。论文中所设计的电源指标如下：

１）输入单相交流电压：２２０Ｖ；

２）输出直流电压：２４Ｖ；

３）输出功率：３ＫＷ；

４）功率因数：大于９５％；

５）辅助功能：过流、过压保护。

论文的具体结构分配如下：

第ｌ章为绪论。主要介绍目前国内外电源技术发展现状，说明了课题的背景及意义。提出了本论文的工作方向。

第２章为全桥移相大功率开关电源的方案的确定。主要介绍总体的设计结构、功率因数校正电路和ＤＣ／ＤＣ变换器的设计方案。

第３章为有源功率因数校正的原理与设计。主要介绍功率因数的定义、提高功率因数的途径、功率因数校正的主电路和控制电路的设计。

第４章为软开关全桥移相变换器的原理与设计。主要介绍移相全桥ＺＶＳ．ＰＷＭ变换器的工作原理、ＤＣ／ＤＣ变换器主电路和控制电路、驱动电路的设计。

第５章为仿真结果及分析。对设计方案的电路进行仿真，给出仿真结果，并与传统的电路对比分析。

第６章对全文进行了总结，对系统设计提出了改进的方案，提出了对未来研究的展望。４

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第二章全桥移相大功率开关电源的方案的确定

第二章全桥移相大功率开关电源的方案的确定

２．１总体的设计结构

根据变换器的设计要求，功率因数要求达到９５％以上，所以整个系统必须采用功率因数校正设计，来提高系统的效率，同时减低变换器的电磁干扰。

按整个电路的拓扑结构分，功率因数校正技术可分为两级ＰＦＣ和单级ＰＦＣ，两种结构各有优缺点【７１【８１。

一、两级功率因数校正

目前研究的两级电路是由两级变换器组成：第一级是ＰＦＣ变换器，目的在于提高输入的功率因数并抑制输入电流的高次谐波：第二级为ＤＣ／ＤＣ变换器，目的在于调节输出稳定以便与负载匹配。具体实现方式很多，在通信用大功率开关整流器中，主要采用的方法是在主电路输入整流和功率转换电路之间加入一个校正环节，典型的两级变换器的结构如图２—１所示。

市电直流

输出

（ａ）两级ＰＦＣ变换框图

＋

Ｕｏ

—－

（ｂ）两级ＰＦＣ变换结构图

图２．１典型的两级ＰＦＣ变换

Ｆｉｇ．２一ｌｔｙｐｉｃａｌｔｗｏＰＦＣｃｏｎＶｅｒｔｅｒ

由于两级结构的每级分别有自己的控制环节，所以电路有良好的性能。它具有功率因数高、输入电流谐波含量低，以及可对ＤＣ／ＤＣ进行优化设计等优点。但两级ＰＦＣ电路也有两个主要缺点：一是由于有两套装置，增加了器件的数目和成本；二是能量经两次转换，电源的效率也会有所降低。因此，两级电路一般应用于功率较大的电路中【８Ｊ。

二、单级功率因数校正单级ＰＦＣ技术的基本思想是将ＰＦＣ变换器和Ｄｃ／ＤＣ变换器合二为～，典型的单级

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ＰＦＣ电路如图２．２所示。两个变换器共用一套开关管和控制电路，因此单级ＰＦＣ技术降低了成本，提高了效率，减小了电路的重量和体积。

＋

Ｕｏ

—－

图２．２典型的单级ＰＦＣ变换

Ｆｉｇ．２—２ｔｙｐｉｃａｌｏｎｅＰＦＣｃｏｎｖｅｒｔｅｒ

单级ＰＦＣ电路具有许多优点：ＰＦＣ级和ＤＣ／ＤＣ级共用一个开关管，共用一套控制电路，这就使得电路设计大为简捷，降低了硬件成本；变换中能提供任何选定的电压和电流比；由于功率实现的是一次性变换，所以能获得较高的效率和可靠性。单级ＰＦＣ电路正因为具有这些优良的性能而越来越得到广泛的研究和应用。

但是与传统的两级式变换器相比，单级变换器要承受更高的电压应力，有更多的功率损耗。这个问题在开关频率较高时显得尤为突出，而且由于开关工作频率不断提高所带来的电磁干扰问题也日益严重，显著影响了变换器工作的可靠性和频率的提高。单级方案中还存在储能电容电压过高的情况，而且储能电容电压随着输入电压及负载的变化而升高，这将会导致电路的稳态特性受到一定的影响，同时某些元器件的体积成本会有所提高，这都是期待解决的问题【９】【１０】。所以对于小功率的场合，由于成本及体积的限制，一般采用单级功率因数校正电路。

综上所述，根据两种电路结构的特征和变换器的性能指标，变换器要求输出的电压稳定，而且动态性能较好，即在空载至满载的情况下，输出电压都必须在２４ｖ，纹波电压不超过２Ｖ，所以电路选择两级的结构来实现，则电路的总体结构框图为下面图２—３所不。

滤波电路ｌ｜’ｌ校正电路磊曩鼍鋈Ｈ鏊主鼋誓鑫錾镧Ｈ盛逆变电路Ｉｌ’ｌ变压器

电压电流

检测翟金壶篆ｌ屯流反馈Ｉｌ誓嚣ＩＩ电路ｌｌ输爱蛊压ｌ反馈ＩＩ驱动电路Ｉ”训屯印

ＵＣ３８５４功率

因数控制电路ＵＣ３８７５ＰＷＭ移相控制电路过电压、过电流保护

图２．３总体结构框图

Ｆｉｇ．２－３ｓｔｎＪｃｎＩｒｅｂｌｏｃｋｄｉａｇＩ砌

６

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第二章全桥移相大功率开关电源的方案的确定

２．２功率因数校正电路ＰＦＣ的设计方案

２．２．１ＰＦＣ的实现方法

功率因数校正电路分可为无源功率因数校正（ＰＰＦＣ）和有源功率因数校正（ＡＰＦＣ）两大类。无源校萨电路通常采用无源元件电感、电容组成低通、带通滤波器，工作在交流输入电的工作频率，将输入电流波形进行相移和整形。虽然无源功率因数校正电路的电路结构简单，得到的功率因数不如有源功率因数校正电路那么高，但仍然可以使功率因数提高到０．７．０．８，但是出于工作在输入电的低频率下，电感、电容的体积就比较大，因而组成的无源功率因数校正电路部分的体积可能比较大，且它的补偿特性易受电网阻抗、负载特性的影响，会由于和电网阻抗发生谐振而造成电路元件的损坏，不能对谐波和无功功率实现动态补偿，因而它只能在中小功率电源中被广泛采用【７１【ｌｌｌ。

有源功率因数校Ｊ下电路自上世纪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功率变换电路，使功率因数接近于ｌ。有源功率因数校正电路工作于高频开关状态，体积小、重量轻，比无源功率因数校正电路效率高，而且能对变化的谐波进行迅速的动态跟踪补偿，补偿特性不受电网阻抗和负载阻抗的影响，因而近些年来受到了相当的重视。有源功率因数校正的基本原理就是通过控制电路强迫交流输入电流波形跟踪交流输入电压波形，从而实现交流输入电流正弦化，并与交流输入电压波形同步，其作用相当于一个电阻，所以有源功率因数校正又叫做电阻仿真器（ＲｅｓｉｓｔｏｒＥｍｕｌａｔｏｒ，ＲＥ）。由于半导体制造加工技术的快速进步，分立半导体器件和集成电路的造价不断降低，有源功率因数校正技术由于它技术性能好的优点，得到了越加广泛的应用。

有源功率因数校正的缺点是电路比较复杂，成本较高，响应较慢，输出电压纹波较大等问题，它们的实际应用受到一定的局限。但是有源功率因数校正的效果好，所以得到了广泛的应用。

由于ＡＰＦＣ电路要求既能控制输入电流波形呈正弦波，又要能够对输出电压进行稳定控制，也就是说，需要同时满足两个相互矛盾的特性，就必然会造成瞬态响应的恶化。例如传统的开关电源在负载和电网电压变化时，能瞬间改变脉冲宽度，使输出电压保持恒定。而ＡＰＦＣ电路却需要把输入交流波形调节成正弦波，所以至少要延迟半个周期的时间来保持同一控制方式，其结果必然会造成输出电压稳定时间的恶化，脉动电压也会增大，比传统的开关电源的脉动电压会大数十倍【ｌｌＪ。但是此系统设计方案是采用两级ＰＦｃ结构，前级输出电压脉动较大对后级Ｄｃ／ＤＣ变换的影响不大，后级变换对输入直流电压允许一定的波动，前级输出电压的波动绝对满足要求，所以本系统中前级采用有源功率因数校正法。

２．２．２ＡＰＦＣ的拓扑结构

从原理上说，任何一种Ｄｃ／Ｄｃ变换器拓扑，都可以作为ＰＦＣ的主电路。常见的功率因数校正器的基本电路有：Ｂｕｃｋ（降压式）、Ｂｏｏｓｔ（升压式）、Ｂｕｃｋ．Ｂ００ｓｔ（降／升压式）、Ｃｕｋ、Ｆ１ｙｂａｃｋ（反激式）等变换器【９】。７

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（ｃ）Ｆｌｙｂａｃｋ型ＰＦＣ（ｄ）Ｂｏｏｓｔ型ＰＦＣ

图２４几种常见的ＰＦＣ电路的拓扑

Ｆｉｇ．２．４ｓｏｍｅｃｏｍｍｏｎＰＦＣｃｉｒｃｕｉｔｔｏｐｏｌｏｇｙ

这几种ＰＦＣ拓扑结构的特点如下：

Ｂｕｃｋ（降压式）：只能实现降压功能，输入电流不连续，噪声纹波大，滤波困难，开关管上电压应力大。

Ｂｕｃｋ．Ｂｏｏｓｔ（降／升压式）：需要两个电子开关，用一个开关控制驱动，电路比较复杂，一般只应用在中小功率输出场合。

ＦｌＶｂａｃｋ（反激式）：输入、输出之间隔离，输出电压可以任意选择，属于简单电压型控制器，适合于１５０Ｗ以下的功率要求。

Ｂｏｏｓｔ（升压式）：电感电流连续，电流畸变率小，储能电感可作滤波器抑制ＲＦＩ（射频干扰）和ＥＭＩ（电磁干扰）噪声，并可防止电网对主电路的高频瞬态冲击，由于电路有升压斩波电路，输出电压高于输入电压峰值，电源允许的输入电压范围扩大，通常可以达到９０．２７０Ｖ，提高了电源的适应性【ｌｏ】【１２１。升压式ＰＦＣ控制简单，适用于１００．２０００Ｗ的功率要求，应用最为普遍，本系统中Ｂｏｏｓｔ升压结构是我们选择的方案。

２．２．３ＡＰＦＣ的控制方法

在有源功率因数校正电路中，主电路采用了Ｂｏｏｓｔ拓扑结构，加上ＰＦＣ控制器，这样就构成了ＢｏｏｓｔＡＰＦＣ电路。ＢｏｏｓｔＡＰＦＣ控制电路根据电感电流是否连续可分为不连续导电模式ＤｃＭ（Ｄｉｓｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ

ＣｏｎｄｕｃｔｉｏｎＣｏｎｄｕｃｔｉｏｎＭｏｄｅ）和连续导电模式ＣＣＭ（ＣｏｎｔｉｎｕｏｕｓＭｏｄｅ）两种控制方式，在ＤＣＭ下，用电压跟随器方法实现ＰＦＣ，而在ＣＣＭ下，则可用乘法器方法实现ＰＦＣ【８】【１２１。

ＤＣＭ控制模式的优点：输入电流自然跟随输入电压且输入电流畸变率较小；功率开关管零电流开通，没有二极管的反向恢复问题。缺点：输入电流纹波较大，对输出滤波电路要求高；峰值电流远高于平均电流，而且开关器件承受较大的应力，导致导通损耗和成本增加，只适合用在小功率场合；同时，功率因数与输入和输出电压的比值有关，当输入电压变化时，功率因数也将发生变化，所以，ＤＣＭ方式的有源功率因数校正电路较少被使用。

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第二章全桥移相人功率开关电源的方案的确定

ＣＣＭ控制模式的优点：输入电流纹波小ＴＨＤ和ＥＭｌ小，对输入滤波器的要求小，输入电流峰值小，对器件的应力要求就小，相应减小了器件的导通损耗：适用于大功率应用。其主要的一个缺点在于高压快恢复二极管反向恢复带来的损耗比较高，影响整个系统的效率并造成一些ＥＭＩ问题。

从上面的分析可以看出，ＣＣＭ模式在大功率应用的场合具有相对较大的优势，所以此系统Ｂ００ｓｔＡＰＦＣ电路选择工作在ＣＣＭ模式下。

采用ＣＣＭ工作模式，就需要使用乘法器来实现ＰＦＣ【ｌ２１，当采用乘法器控制时，由于输入电流总带有一些开关频率的纹波，因此必须决定反馈哪个电流，因此产生了三种电流的控制方式，即电流峰值控制、电流滞环控制、平均电流控制【６１【１０】。这三种控制方式的基本特点如下表２．１所示。

表２．１三种电流控制方式的基本特点

Ｔａｂ．２．１ｂａｓｉｃｆ．ｅａｎＩｒｅｓｏｆｔｈｒｅｅｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｔｒｏｌｍｏｔｈｏｄ

控制方法

电流峰值

电流滞环

平均电流检测电流开关电流电感电流电感电流开关频率恒定变频恒定工作模式ＣＣＭ对噪声敏感敏感不敏感使用拓扑ＢｏｏｓｔＢｏｏｓｔ备注需斜率补偿需逻辑控制需电流误差放大器ＣＣＭ任意任意

其中平均电流控制方式的优点是：开关频率恒定；ＴＨＤ较小，电感电流峰值与平均值之间的误差小；跟踪误差小瞬态特性较好；对噪声不敏感；适用于大功率应用；此控制方案是目前ＰＦＣ中应用最为广泛的一种控制方式。考虑到本变换器的功率较大，以及对输出特性的要求较高，所以就采用工作在ＣＣＭ模式下的平均电流控制方式。

２．３ＤＣ／ＤＣ变换器的设计方案

ＤＣ／Ｄｃ变换属于开关电源中实现功率变换的部分。现代开关电源分为直流开关电源和交流开关电源两类，前者输出质量较高的直流电；后者输出质量较高的交流电。本课题研究属于直流变换器的范畴１１３ｊ。

表２．２ＰｗＭ开关电源拓扑的比较

Ｔａｂ．２—２ｃｏｍｐａｒｉｎｇｏｆＰＷＭｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｔｏｐ０１０９ｙ

电路拓扑

Ｂｕｃｋ

ＢＯＯｓｔ功率范围／Ｗｏ￣ｌＯＯＯｏ￣１５０

Ｏ～１５０

０一１５０

Ｏ～１５０

１００～１０００

１００～５００

４００～２０００Ｖｉｎ（ｄｃ）Ⅳ５—４０５￣４０５—４０５—５００５—５００５０￣１０００５０一１０００５０—１０００输入、出隔离无无无有有有有有典型效率（％）７０８０８０７８８０７５７５７３相对成本１．０１．Ｏ１．Ｏ１．４１．２２．Ｏ２．２２．５Ｂｕｃｋ．Ｂｏｏｓｔ正激式电路反激式电路推挽式电路半桥电路全桥电路

分析上表可知，在需要大功率的场合，众多ＤＣ．ＤＣ变换器拓扑中，首选全桥变换９

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器。因为在功率丌关管电压和电流额定相同时，变换器的输出功率通常随开关管数量增加而增大，故全桥变换器的输出功率最大。全桥变换器由四个功率开关管构成，主变压器只需要一个原边绕组，通过『Ｆ、反向的电压得到正反向磁通，变压器铁芯和绕组得到最佳利用，使效率和功率密度得到提高。

本课题所研制的变换器要求输出功率为３Ｋｗ，同时具有很强的带载能力，属于大功率电源。后级ＤＣ／ＤＣ变换的输入电压为单相ＰＦＣ升压后稳定的直流电压，电压较高（大约为４００Ｖ），对开关器件的电压应力要求较高，因此选用全桥式电路较为合适，变压器磁芯和绕组能够得到最佳的利用，使效率、功率密度得到提高；另一方面，功率开关在较安全的情况下运行，一般情况下，最大的反向电压不会超过输入整流滤波电路的输出电压。但是全桥变换需要的功率器件比较多，在开关导通的回路上，至少有两个管压降，因此功率损耗也就比较大。由于前级ＡＰＦｃ输出直流电压很高，这些损耗还是可以接受的。

目前常用的全桥式变换器有传统的硬开关式、谐振式及移相式，其中软开关移相式近年来受到人们普遍的关注，它综合了ＰｗＭ控制技术与软开关的优点，在大范围内实现恒频控制，而在功率器件换流瞬间，它利用变压器的漏感和功率半导体器件的结电容的谐振来实现零电压开关换流…Ｊ。因此本课题要开发的电源的后级ＤＣ／ＤＣ变换就采用移相全桥变换器的拓扑结构。本文在第三章将对此详细加以介绍。

２．４辅助功能部分

１．辅助电源

辅助电源电路的功能是为控制电路供电。辅助电源的类型很多，既可以采用串联线性调整型电源，也可以采用小功率开关电源。在本系统中，将采用集成芯片７８１５构成稳压电源为控制电路供电，具有稳定的１５Ｖ输出。

外加电源的电路图如图２．５所示。

交流罾交流输入２２０Ｙ２

ｏ—－———－———－＿一】１．ｊ泌、划＊Ｔ｜‘三，Ｉ．．．．．．一

一．．．．．．．．．．Ｊ’ｒ兰＋１

Ｃ３Ｃ４ＶＣｌ三Ｃ２Ｔ８１５

图２－５外加电源电路图

Ｆｉｇ．２－５ａｐｐｌｉｅｄｐｏｗｅｒｃｉｒｃｕｉｔ

２．保护电路

保护电路是控制电路中的一个重要组成部分，为了提高电源的可靠性必须不断的完善保护电路的功能。当前电源的保护电路的主要保护功能有：过压保护、过流保护、欠压保护和过热保护，其中过压、过流保护是为了保护外界负载和电源两者而设置的，而欠压和过热保护是为了电源本身而设置的。

３．软启动电路

考虑到：（１）由于在Ｂｏｏｓｔ电路中，输出电压总是高于输入电压。在电压启动时，

１０

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第二章全桥移相人功率开关电源的方案的确定

输出电压为零。输入电压通过电感Ｌ向输出端传递能量，电感Ｌ两端在较长时间内承受『Ｅ电压，会导致很大的电流尖峰，导致电路中器件的过流损坏。（２）电源的输出滤波电容较大，输出电压的突然建立将会形成非常大的电容充电电流，叠加在负载电流上，不仅可能使过流保护电路产生误动作，也可能会造成开关管的过流损坏。如果为了避免因此引起的误动作而将保护电路的保护动作延迟，这样将会降低过流保护的安全性和有效性

【２ｌ】

ｏ

因此电源必须具备软启动环节来避免上述两种情况产生的电流过冲的问题。

２．５本章小结

通过以上部分的分析介绍，我们已经基本确立了本系统设计的大体方案：

１．总体结构上采用两级ＰＦＣ技术；

２．前级ＰＦＣ采用Ｂｏｏｓｔ升压型平均电流控制方式的ＡＰＦＣ技术；

３．后级ＤＣ／ＤＣ变换采用移相全桥软开关技术；４．最后介绍了系统的辅助部分的设计思路。

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第三章

３．１功率因数的定义有源功率因数校正的原理与设计

根据电工学的基本理论，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【’４１。所以功率因数可以定义为输入电流失真系数（ｙ）与相移因数（ｃｏｓｍ）的乘积。肝：冬：掣：乒ｃ神：舯ｓ①ｓ；、（３－１）‘

ＵＩｌｒ。Ｉ哪

式子中：乃表示输入基波电流有效值

表示输入电流有效值砌Ｊ

』Ⅲ“ｙ＝≥表示输入电流失真系数

可见功率因数（ＰＦ）由电流失真系数（，，）和基波电压、基波电流相移因数（ｃｏｓ①）决定。ｃｏｓ①低，则表示用电电器设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大。同时，７值低，则表示输入电流谐波分量大，将造成输入电流波形畸变，对电网造成污染，严重时，对三相四线制供电，还会造成中线电位偏移，致使用电电器设备损坏。

由于常规整流装置常使用非线性器件（如可控硅、二极管），整流器件的导通角小于１８００，从而产生大量谐波电流成份，而谐波电流成份不做功，只有基波电流成份做功。所以相移因数（ｃｏｓ①）和电流失真系数（厂）相比，输入电流失真系数（ｙ）对供电线路功率因数（ＰＦ）的影响更大

我国于１９９４年也颁布了《电能质量公用电网谐波》标准（ＧＢ／Ｔ１４５４９．９３）。

艘：冬：萼掣：丢×ｃｏｓ矽叩。ｓ矽ｓｊ（３．２）、１

ｙｌＩｒ。ｌｍｓ

传统的功率因数概念是假定输入电流无谐波电流（即，ｌ＿‰或，，＝１）的条件下得到的，这样功率因数的定义就变成了阡＝ｃｏｓ①。

３．２谐波电流的危害及改进措施ｎ５１

３．２．１谐波电流对电网的危害

谐波电流对电网的危害表现在：

１．谐波电流流过线路阻抗，造成谐波电压下降，使电网的正弦波电压产生畸变；２．谐波电流会使线路和配电变压器过热，严重时会损坏电器设备；

３．谐波电流会引起电网ＬＣ谐振；

４．高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过流、过热，甚至爆炸；

５．在三相四线制中，中性线流过三相高次谐波电流（三倍的３次谐波电流），是中性线过电流；

６．谐波电流使交流输入端功率因数下降，结果是发电、配电及变电设备的功耗加大，效率降低。

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第二章有源功率冈数校正的原理与设计

为了减小ＡＣ．Ｄｃ变换电路输入端谐波电流的后果，以保证电网的供电质量，提高电网的可靠性，提高功率因数，必须限制ＡＣ．ＤＣ变换电路输入端的谐波电流。国际标准的谐波电流限制值：２次谐波旦％，３次谐波墨３％，５次谐波Ｓ１Ｏ％，７次谐波Ｓ７％，……。３．２．２不良功率因数的成因

由阿＝７ｃｏｓ①知，ＰＦ值由以下两个因素决定：一是输入基波电压与输入基波电流的相位差①，二是输入电流的波形畸变因数ｙ。

（１）相控整流电路

对于常见相控整流电路，其基波电压和基波电流的位移因数如表３．１所示：

表３一ｌ常见相控整流电路基波电压和基波电流的位移因数

７ｒ曲．３一ｌｐｈａｓｅ—ｓｈｉｆｔｆａｃｔｏｒｏｆｍｎｄａｍｅｎｔａｌＶｏｌｔａｇｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔｉｎｃｏｍｍｏｎｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌｒｅｃｔｉｆｉｅｒｃｉｒｃｕｉｔ

电路形式

基波电压和基波电流的位移因数单相电路Ｏ．９１１三相电路Ｏ．９４９１２相电路Ｏ．９８６

相控整流电路功率因数低的主要原因是基波电压和基波电流位移因数ｃｏｓ①的影响．即受可控硅控制角的影响，使电流滞后于电压，ｃｏｓ①＜ｌ。改善相控整流电路功率因数的措施，一般是在负载端并联一个性质相反的电抗元件。若电网呈感性，通常采用电容补偿的方法。

（２）开关整流电路

对开关整流电路而言，Ａｃ／ＤＣ前端通常由桥式整流器和大容量滤波器组成，在这种电路中，只有当线路的峰值电压大于滤波电容两端的电压时，整流元件中才有电流流过，使得输入电流呈尖脉冲形式，且产生一系列奇次谐波，致使功率因数降低为Ｏ．７．Ｏ．８。所以，对开关整流电路而言，不良功率因数主要源于电流波形的畸变。

３．２．３提高功率因数的措施

定义总谐波畸变（ＴＨＤ）【１６】【１７】

ｒ——：—————：———————————：—————：－

ＴＨＤ＝Ｉｈ｜Ｉ～＝心０Ｉ：＋Ｉｊ＋…＋Ｉ气、）｜ｌｊ◇ｏ●

其中：磊为所有谐波电流分量的总有效值，乃为输入电流基波有效值。由于对开关整流电路而言，不良功率因数主要源于电流波形的畸变，故令口＝０，并由式（３．１）、（３．２）可得：

Ｊ－＿＿－＿＿＿－＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿＿一

ＰＦ＝ＩＩ｜ｌＲ＝、｜～、＋ＴＨＤｚ◇－ｑ

由式（３．４）所知，对开关电源电路，对输入端谐波电流的抑制既可以保证电网供电质量，提高电网的可靠性，也能提高输入端功率因数，达到节能的效果。

目前，欧洲已强制性要求电子设备的输入电流谐波必须满足一些标准，如分别对线电流为１６Ａ及１６Ａ以上提出了ＩＥＣｌｏｏＯ．３．２和ＩＥＣｌｏｏＯ．３．４谐波电流限制标准。

ＩＥＣｌ０００—３—２谐波电流限制标准要求对于输入电压为２２０／３８０Ｖ，２３０／４００Ｖ或２４０／４１５Ｖ，且每相输入电流小于１６Ａ的电源设备（如三相对称设备，便携式设备）必须满足它的要求，见表３．２所示。

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表３．２ＩＥＣ１０００．３—２谐波电流限制标准

Ｔａｂ．３—２ＩＥＣ１０００—３—２ｈａｍｏｎｉｃｃｕｒｒｅｎｔｌｉｍｉｔｉｎｇｓＩａｎｄａｒｄ

谐波次数ｎ

３

５

７

９

１１

１３

１５Ｓｎ≤３９

２

４

６

８Ｓｎ５４０最大允许谐波电流（Ａ）２．３０１．１４Ｏ．７７Ｏ．４０Ｏ．３３Ｏ．２１Ｏ．１５×１５／ｎ１．０８Ｏ．４３０．３００．２３×８／ｎ

限制谐波电流，提高功率因数可采用以下措施：

１．附加无源滤波器：在整流器和滤波电容之间接入～个滤波电感Ｌ，增加输入端交流电流的导电宽度，减缓电流冲击，减小波形畸变，从而减小电流的谐波成分。还可在交流侧并联接入ＬＣ谐振滤波器，使交流端输入电流中的谐波电流经ＬＣ谐振滤波器形成回路而不进入交流电源。

无源ＬＣ滤波器的优点是：电路简单、成本低、可靠性高、电磁干扰ＥＭＩ小。缺点是：体积大，很难做到高功率因数，一般只能达到Ｏ．９左右，工作性能与频率、负载变化和输入电压的变化有很大关系，ＬＣ回路有大的充放电流，还可能引发谐振。

２．采用ＰＷＭ高频整流：ＰＷＭ控制技术首先是在直流斩波电路和逆变电路中发展起来的。目前ＳＰｗＭ控制技术己在交流调速用变频器和不间断电源中获得广泛应该用。把逆变电路中的ＳＰＷＭ控制技术用于整流电路，就形成了ＰＷＭ整流电路。通过对ＰＷＭ整流电路的适当控制，可以使交流输入端的输入交流电流非常接近正弦波，且和输入电压同相位，功率因数近似为１。这种整流器称为单功率因数变流器或高功率因数整流器。这种整流电路的主要缺点是输出直流电压是升压而不能降压，输出直流电压可以从交流电源电压峰值向高调节，如果向低调节就会使电路性能恶化，甚至不能工作。

３．附加有源功率因数校正器ＡＰＦＣ（ＡｃｔｉｖｅＰｏｗｅｒＦａｃｔｏｒＣｏ盯ｅｃｔｉｏｎ）：在二极管整流电路和负载之间接入一个ＤＣ．ＤＣ变换电路，采用电流和电压反馈技术，输入端交流电流跟踪交流正弦波电压，使交流输入电流接近正弦波，并和交流输入电压同相，从而使输入端总谐波畸变率ＴＨＤ＜５％，功率因数可提高到接近１。

有源功率因数校正电路工作于高频开关状态，体积小，重量轻，比无源校正电路效率高。所以本课题采用有源功率因数校正技术来提高开关电源的功率因数。

３¨”１３．３功率因数校正的实现方法ｎ

由功率因数阿＝ｙｃｏｓ①可知，要提高功率因数，有两个途径：

１．使输入电压、输入电流同相位。此时ｃｏｓ①＝１，所以阡＝ｙ。１４

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第三章有源功率内数校正的原理与设计

２．使输入电流正弦化。即，。＝，，埘（谐波为零），有｝＝１即：阼＝ｙｃｏｓ①＝１

ｌｒｍｓ

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，使输入电流波形呈纯正弦波，并且和输入电压同相位，此时整流器的负载可等效为纯电阻，所以有的地方又把功率因数校正电路叫做电阻仿真器。

３．４ＰＦＣ主电路的原理与设计

Ｂｏｏｓｔ变换器的ＰＦＣ原理

有源功率因数校正（ＡＰＦＣ）电路的主要思想是：选择输入电压为参考信号，使得３．４．１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的同频同相正弦波，以提高功率因数和抑制谐波。图３．１所示为一个Ｂｏｏｓｔ变换器ＡＰＦｃ电路的原理图，其主电路由单相桥式整流器和Ｄｃ．ＤｃＢｏｏｓｔ变换器组成，控制电路由电压误差放大器ＶＡ、参考电压Ｕｒ、电流误差放大器ＣＡ、乘法器Ｍ、ＰｗＭ调制器和驱动器组成。

图３一ｌＢｏｏｓｔ变换器ＰＦＣ电路的原理图

Ｆｉｇ．３一ｌＢｏｏｓｔｃｏｎＶｅｒｔｅｒＰＦＣｐｒｉｎｃｉｐｌｅｃｉｒｃｕｉｔ

工作原理：主电路的输出电压Ｕｄｃ和参考电压Ｕｒ比较后，输入给电压误差放大器ＶＡ，整流电压检测值和电压误差放大器Ⅵ～的输出电压信号共同加到乘法器Ｍ的输入端，乘法器Ｍ的输出则作为电流反馈控制的基准信号，与开关电流的检测值比较后，经过电流误差放大器ＣＡ加到ＰｗＭ调制器及驱动器，以控制开关管ｖＴ的导通与关断，从而使得输入电流（即电感电流）低频分量的波形与整流电压的波形基本～致，使电流谐波大为减少，提高了电路功率因数。其中，输入电流高频分量对系统的影响可通过设置电流误差放大器ＣＡ的幅频特性来降低，通过设计，对于低频分量，电流误差放大器ｃＡ的增益较大，使得输入电流中的低频分量非常接近作为电流反馈控制的基准信号；对于高频分量，电流误差放大器ｃＡ的增益则很小，使得高频分量在电流误差放大器输出端几乎不存在，１５

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