單周期控制高功率因數(shù)整流器研究

1、摘 要摘 要電力電子的諧波污染已引起世界各國(guó)的高度重視，其中，整流器是一個(gè)很大的污染源，因?yàn)榻^大多數(shù)直流電源都需要通過(guò)交流電源整流來(lái)獲取。常規(guī)整流方法中無(wú)論是二極管的不控整流還是晶閘管的相控整流都具有較大的缺點(diǎn)，其中最明顯的就是對(duì)電網(wǎng)有諧波污染。功率因數(shù)校正 (PFC)是治理諧波的一種有效方法。論文闡明了功率因數(shù)校正的目的和意義，回顧了高功率因數(shù)整流器功率因數(shù)校校正器發(fā)展過(guò)程中出現(xiàn)的各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制方案,分析和介紹了各控制方案的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用場(chǎng)合。 大多數(shù)的高頻功率因數(shù)校正器都采用電阻器競(jìng)爭(zhēng)來(lái)達(dá)到一個(gè)接近一致的功率因數(shù)和很小的電流線性失真。本文分析了BOOST功率因數(shù)校正主電路，給出了詳細(xì)的

2、基于平均電流控制的單相高功率因數(shù)整流器的設(shè)計(jì)方案,并介紹了功率因數(shù)校正專用集成電路UC3854。理論分析和仿真試驗(yàn)結(jié)果都驗(yàn)證了該控制方法及控制器電路的正確性。關(guān)鍵詞 ：功率因數(shù)校正 ,諧波畸變, 整流器, 仿真Abstract The attention devoted to reducing harmonic pollution is increasing.Power Factor Correctiong(PFC)is an effective method to reduce harmonic current in power gird.Significance of Power Fact

3、or Correction is clarified in this dissertation.A comprehensive review of the recent development and principles of various topologies and control strategies in active PFC are given.One Cycle Control technique.It is applied successfully to the control of single-phase and three-phase high power factor

4、(HPF)rectifiers. Based on the One Cycle Control technology a ageneral and novel PFC controller is proposed for single-phase rectifiers.The principle of the PFC controller for Boost converer is illuminated particularly ,the stability o the proposed PFC controller is analyzed.A novel power factor corr

5、ection main circuit with center-tapped inductor is proposed in this dissertation. Research on single-phase Boost high power factor rectitier is implemented.A 500W sample of Boost PFC system based on One Cycle Control is designed to verify the theoretical analysis. Simulation and experimental results

6、 prove that the Boost PFC rectifier with the proposed controller can achieve low current distortion and unity power factor,its power factor can reach 0.9811.The control method is simple,reliable and general. On the basis of single-phase high power factor rectifier, the dissertation also researches t

7、hree-phase hing power factor rectifier.The fundamental vector principle of three-phase high power factor rectifier with One Cycle technology is analyzed systemically.With theoretical analysis,three-phase general PFC controller based on One Cycle Control for three-phase three-switch rectifier is dedu

8、ce .A7KW test sample of three-phase PFC rectifier base on One Cycle Control is implemented.Simulation and some experimental results are presented at last, they prove that with the proposed three-phase PFC controller rectifier can achieve low current distortion and unity power factor,its input curren

9、t total harmonic distortion is only 4.77%and its power factor(PF)can reach 0.99Keyword: One Cycle Control: Power Factor Correction(PFC): Harmonic: rectifier: Integrator simulation目 錄第1章 概 述11.1 功率因數(shù)校正的目的與意義11.2 諧波的危害及限制標(biāo)準(zhǔn)21.3 諧波抑制方法21.4 整流技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用3第2章 功率因數(shù)校正52.1功率因數(shù)校正的基本原理52.2 PFC技術(shù)分類52.3 常用功率因數(shù)校正方法

10、52.3.1 多脈沖整流法52.3.2 無(wú)源校正52.3.3 有源校正功率因數(shù)校正法（Active Power Factor Correction-APFC）72.4 功率因數(shù)校正電路的結(jié)構(gòu)形式72.4.1 PFC電路72.4.2主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)92.5 功率因數(shù)校正控制方法102.5.1 DCM控制112.5.2 CCM控制模式12第3章 單相高功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)153.1基本原理153.1.1 BoostAPFC電路的工作原理153.1.2 Boost 型整流電路基本控制電163.2 電路設(shè)計(jì)173.2.1功率級(jí)電路173.2.2 控制輸入193.2.3 乘法器203.2.4 PWM比較

11、器203.2.5 電壓誤差放大器203.2.6 電流誤差放大器213.2.7 輸入的失真源213.2.8 尖波失真223.3 功率因數(shù)校正專用集成電路UC3854223.3.1 UC3854的組成結(jié)構(gòu)233.3.2 UC3854的關(guān)鍵特性233.3.3 模塊宏模型的構(gòu)建25第4章 系統(tǒng)仿真284.1 Saber 軟件簡(jiǎn)介284.2 仿真參數(shù)294.3 波形圖30 4.4 仿真波形圖.31畢業(yè)設(shè)計(jì)小結(jié)32參考文獻(xiàn)33致 謝34前 言 近20年來(lái)，隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，帶非線性負(fù)載的電力電子裝置應(yīng)用日益廣泛，電網(wǎng)系統(tǒng)中的諧波污染也日趨嚴(yán)重。因此電力電子裝置己經(jīng)成為電網(wǎng)最主要的諧波源之一。這些

12、電力電子裝置多數(shù)通過(guò)整流器與電力網(wǎng)接口，在電網(wǎng)中產(chǎn)生大量的電流諧波，成為電力公害。因此，諧波問(wèn)題引起人們?cè)絹?lái)越多的關(guān)注。 在各種電力電子裝置中，整流裝置所占的比例最大。目前，常用的整流電路幾乎都采用晶閘管相控整流電路或二極管整流電路的非線性電路，其中以三相橋式和單相橋式整流電路最多。但工頻二極管和晶閘管整流器存在兩個(gè)缺點(diǎn):一是從公共連接點(diǎn)吸取高峰值脈沖電流，使網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)降低，網(wǎng)損增加;二是給電網(wǎng)注入大量的諧波，造成嚴(yán)重的諧波污染。帶阻感負(fù)載的整流電路所產(chǎn)生的諧波污染和功率因數(shù)滯后已為人們所熟知。直流側(cè)采用電容濾波的二極管整流電路也是嚴(yán)重的諧波源。這種二極管整流一濾波電容組合電路，其輸入電流呈

13、脈沖狀，輸入電流的基波分量相位與電源電壓相位大體相同，因而基波功率因數(shù)接近1。但其輸入電流的諧波分量卻很大。交流網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)只有0.6 至 0.7，電流的總諧波畸變率THD高達(dá)100%(功率因數(shù)為0.99時(shí)，電流的總諧波畸變率THD約為3 %)，給電網(wǎng)造成嚴(yán)重污染。采用相控方式的整流器、交流功率調(diào)整電路和周波變流器等電力電子裝置，在工作時(shí)基波電壓滯后于電網(wǎng)電壓，要消耗大量的無(wú)功功率。另外，這些裝置也會(huì)在輸入側(cè)產(chǎn)生大量的諧波電流。諧波源都是要消耗無(wú)功功率的。除上述電力電子裝置外，逆變器、直流斬波器和間接DC-DC變換器的應(yīng)用也較多。但這些裝置所需的的直流電源主要來(lái)自整流電路，因而其諧波和無(wú)功功率

14、問(wèn)題也很嚴(yán)重，對(duì)諧波必須采取有效的抑制和改善措施。對(duì)于作為主要諧波源且功率因數(shù)很低的整流器，抑制諧波和提高功率因數(shù)的兩種典型代表方法是:一是對(duì)電網(wǎng)實(shí)施諧波補(bǔ)償?shù)谋粍?dòng)方法，裝設(shè)補(bǔ)償裝置對(duì)其諧波進(jìn)行補(bǔ)償，即采用無(wú)源濾波或有源電力濾波電路來(lái)旁路或消除諧波:二是對(duì)電力電子設(shè)備自身進(jìn)行改進(jìn)的主動(dòng)方法，對(duì)整流器本身進(jìn)行改進(jìn)。即設(shè)計(jì)新一代的高性能整流器(前置有源整流器)，在整流器內(nèi)部采取有源功率因數(shù)校正技術(shù)，從而改善整流器的工作原理，使其盡量不產(chǎn)生諧波，且電流和電壓同相位，使之入端近乎純電阻特性，實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)、低諧波整流。 相比而言，針對(duì)電網(wǎng)的諧波補(bǔ)償是一種被動(dòng)的方法，解決諧波問(wèn)題的積極方法是清除或降低電

15、力電子設(shè)備產(chǎn)生的諧波污染。單相整流電路的無(wú)源功率因數(shù)校正技術(shù)是在整流電路中用LC濾波器來(lái)增大整流橋?qū)ń?，從而降低電流諧波提高功率因數(shù)。無(wú)源功率因數(shù)校正技術(shù)由于采用電感、電容、二極管等元器件代替了價(jià)格較高的有源器件，因而使開(kāi)關(guān)電源的成本降低。雖然采用無(wú)源功率因數(shù)校正不如有源功率因數(shù)高，但仍然能使電路的功率因數(shù)提高到0.7至0.8，電流諧波含量降到40%以下。因而這種技術(shù)在中小容量的電子設(shè)備中仍被廣泛采用。第1章 概述第1章 概 述1.1 功率因數(shù)校正的目的與意義傳統(tǒng)上功率因數(shù)(PF)用cos表示，其中為電壓與電流之間的相角差，這只有當(dāng)電壓和電流均為正弦時(shí)才正確，一般意義上的功率因數(shù)定義為:根據(jù)

16、正弦電路中有功功率(P)、視在功率(s)、功率因數(shù)的定義，有:(1-1)(1-2) PF=有功功率/視在功率 (1-3)其中,為輸入電流基波有效值:(1-4)為電網(wǎng)電流有效值:(1-5) 式中，電流的基波分量、二次諧波分量、n次諧波分量的有效值；為輸入電壓基波有效值；為輸入電流的波形畸變因數(shù)；為基波電壓和基波電流的位移因數(shù)。從式(1-3)可以看出，功率因數(shù)PF即為兩個(gè)因子的乘積，它由輸入電流的波形畸變因數(shù)(與電流的波形有關(guān)),以及基波電壓電流的位移因數(shù)(它描述了負(fù)載的電抗特性)決定。 定義總諧波畸變率(THD)為總諧波有效值與基波有效值之比，即:(1-6)由式(1-1)(1-6)可得THD與畸

17、變因子的關(guān)系為: (1-7)第1頁(yè) 共34頁(yè)單周期控制的高功率因數(shù)整流器的研究由前面的推導(dǎo)我們可以得出功率因數(shù)和總諧波畸變率的關(guān)系: (1-8)由式（1-8）可知，在cos一定時(shí)，THD越大，功率因數(shù)也就越低，因此，提高功率因數(shù)也就應(yīng)該從減小基波電壓、電流之間的相角差和總諧波畸變率THD方面入手。1. 2 諧波的危害及限制標(biāo)準(zhǔn)整流電路是電子設(shè)備中最基礎(chǔ)并且應(yīng)用最多的電路，廣泛應(yīng)用于電力、冶金、化工、通訊和家電等領(lǐng)域，如開(kāi)關(guān)電源、通訊電源、交一直一交變頻電源、直流調(diào)速電源、不間斷電源(UPS)等，整流器是這些裝置中的一個(gè)重要組成部分。傳統(tǒng)的開(kāi)關(guān)整流電路是由二極管整流獲得脈動(dòng)的直流電源，再經(jīng)大電容

18、C濾波后給負(fù)載供電。它的一個(gè)顯著特點(diǎn)是:在穩(wěn)態(tài)時(shí)負(fù)載只在輸入電壓峰值附近獲得電能，輸入電流為尖脈沖。圖1-1給出傳統(tǒng)的單相整流電路圖1-1 單相整流電路諧波電流對(duì)電網(wǎng)的危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：(1)諧波使電網(wǎng)中的元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，降低發(fā)電、輸電及用電設(shè)備的效率，大量的3次諧波流過(guò)中性線會(huì)使線路過(guò)熱甚至發(fā)生火災(zāi); (2)諧波影響各種電氣設(shè)備的正常工作，使電機(jī)發(fā)生機(jī)械振動(dòng)、噪聲和過(guò)熱，使變壓器局部嚴(yán)重過(guò)熱，使電容器、電纜等設(shè)備過(guò)熱、使絕緣老化、壽命縮短以至損壞; (3)諧波會(huì)引起電網(wǎng)中局部的并聯(lián)諧振和串聯(lián)諧振，從而使諧波放大，會(huì)使上述(1)和(2)兩項(xiàng)的危害大大增加，甚至引起嚴(yán)重事故;

19、(4)諧波會(huì)導(dǎo)致繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的誤動(dòng)作，并使電氣測(cè)量?jī)x表計(jì)量不準(zhǔn)確;(5)諧波會(huì)對(duì)鄰近的通訊系統(tǒng)產(chǎn)生干擾，輕者產(chǎn)生噪聲，降低通訊質(zhì)量，重者導(dǎo)致信息丟失，使通訊系統(tǒng)無(wú)法正常工作。諧波的污染與危害己經(jīng)引起了世界各國(guó)的廣泛關(guān)注。為了減小諧波危害，國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)也于1982年制定了許多關(guān)于電磁兼容的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。IEC 1000-3-2制定于1995年，是最新、最嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，它適合于每相電流小于16A的電子設(shè)備此標(biāo)準(zhǔn)對(duì)諧波電流的限制參見(jiàn)表格。1.3 諧波抑制方法 為了滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)的要求，必須對(duì)電力電子裝置等負(fù)載產(chǎn)生的諧波進(jìn)行治理。抑制電第1章 概述力電子裝置產(chǎn)生諧波的方法有兩種:一種是被動(dòng)式

20、的，即裝設(shè)諧波補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償諧波;另一種方法是主動(dòng)式的，從源頭入手，即設(shè)計(jì)輸入電流為正弦、諧波含量低、功率因數(shù)高的高性能整流器。(1) 無(wú)源濾波器傳統(tǒng)的無(wú)源濾波器是采用LC調(diào)諧濾波器。雖然這種方法既可以補(bǔ)償諧波，又可以補(bǔ)償無(wú)功功率，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，一直被廣泛使用。但是這種方法的主要缺點(diǎn)是補(bǔ)償特性受電網(wǎng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)的影響，易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使LC濾波器過(guò)載甚至燒毀。(2) 有源電力濾波器有源濾波器是一種用于動(dòng)態(tài)抑制諧波和補(bǔ)償無(wú)功的電力電子裝置，它能對(duì)大小和頻率都變化的諧波以及變化的無(wú)功進(jìn)行補(bǔ)償，并能克服上述傳統(tǒng)無(wú)源濾波器的不足。有源電力濾波器的基本原理是從補(bǔ)償對(duì)象中檢測(cè)出諧波電

21、流，由補(bǔ)償裝置產(chǎn)生一個(gè)與該諧波電流大小相等而極性相反的補(bǔ)償電流，從而使電網(wǎng)電流只含基波分量。這種濾波器能對(duì)頻率和幅值都變化的諧波進(jìn)行跟蹤補(bǔ)償，且補(bǔ)償特性不受電網(wǎng)阻抗的影響。它具有體積小、重量輕、功率因數(shù)接近1、輸入電流總諧波含量降到10%以下等特點(diǎn)。然而在實(shí)際中，產(chǎn)生合適的補(bǔ)償電流是很困難的。與設(shè)置補(bǔ)償裝置來(lái)補(bǔ)償諧波和無(wú)功功率相比，在某種意義上說(shuō)，進(jìn)變流器自身性能的方法是一種更積極的方法，也是目前的研究熱點(diǎn)之一。(3) 有源功率因數(shù)校正 有源功率因數(shù)校正技術(shù)(APFC)就是在整流電路和負(fù)載之間加入有源開(kāi)關(guān)，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入端電流波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形，可以使輸入電流接近正弦，從而

22、提高整流系統(tǒng)的功率因數(shù)。其主要優(yōu)點(diǎn)是:可得到較高的功率因數(shù)，如0.970.99 ; THD小;可在較寬的輸入電壓范圍和寬頻帶下工作;體積重量小;輸出電壓也保持恒定。主要缺點(diǎn)是:電路復(fù)雜，成木高，EMI高。APFC技術(shù)雖然在80年代開(kāi)始興起，但發(fā)展很快，目前單相APFC技術(shù)相當(dāng)成熟。(4) PWM整流技術(shù)目前，PWM技術(shù)小但用于逆變電路，也開(kāi)始用于整流電路。通過(guò)對(duì)PWM整流電路的適當(dāng)控制，可以得到與電源電壓同相位或反相位的輸入電流，從而使功率因數(shù)接近1。這種整流電路又稱為單位功率因數(shù)變流器。它對(duì)電網(wǎng)小產(chǎn)生諧波污染，是一種真正意義上的“綠色環(huán)保”電力電子裝置。1.4 整流技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用從電力電子

23、技術(shù)發(fā)展來(lái)看，整流器是較早應(yīng)用的一種AC/DC變換裝置。整流技術(shù)的發(fā)展是隨著功率半導(dǎo)體器件的發(fā)展而發(fā)展的，所以，整流技術(shù)也經(jīng)歷了不控整流器、相控整流器到PWM整流器的發(fā)展過(guò)程。對(duì)整流技術(shù)有變革意義的是PWM整流技術(shù)。所謂的PWM技術(shù)，就是利用半導(dǎo)體器件的開(kāi)通和關(guān)斷把直流電壓變成一定形狀的電壓脈沖序列，以實(shí)現(xiàn)變頻變壓及控制和消除諧波的目標(biāo)的一門技術(shù)。PWM整流技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，使它成為人們研究的熱點(diǎn)。研究主要集中在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、建模和控制策略上的。整流技術(shù)最突出的應(yīng)用是在交流變頻傳動(dòng)上。變頻調(diào)速技術(shù)山于其優(yōu)良的調(diào)速性能成為電機(jī)調(diào)速主要控制技術(shù)。對(duì)于比較常用和成熟的交一直一交變頻方案，它包括整流和逆變兩

24、個(gè)小可缺少的環(huán)節(jié)。其中整流就是要把土頻交流電變?yōu)橹绷麟?，為逆變器提供直流電源，所以整流器的土作直接影響著變頻器的性能。通用變頻器一般采用整流一極管小控整流橋得到脈動(dòng)直流電，再經(jīng)電解電容濾波穩(wěn)壓，最后經(jīng)無(wú)源逆變輸出電壓、頻率可調(diào)的交流電動(dòng)機(jī)供電，但是通用變頻器直接用于需要快速起、制動(dòng)和頻繁正、反轉(zhuǎn)的調(diào)速系統(tǒng)。第3頁(yè) 共34頁(yè)單周期控制的高功率因數(shù)整流器的研究因?yàn)檫@種系統(tǒng)要求電機(jī)四象限運(yùn)行，當(dāng)電機(jī)減速、制動(dòng)或者帶位能性負(fù)載重物下放時(shí)，電機(jī)處于再生發(fā)電狀態(tài)。由于二極管不可控整流器能量傳輸不可逆，產(chǎn)生的再生電能傳輸?shù)街绷鱾?cè)濾波電容上，產(chǎn)生泵升電壓。而以GTR、 IGBT為代表的全控型器件耐一壓較低，過(guò)

25、高的泵升電壓有可能損壞開(kāi)關(guān)器件、電解電容，甚至?xí)茐碾姍C(jī)的絕緣，從而威脅系統(tǒng)安全土作，這就限制了通用變頻器的應(yīng)用范圍。所以能量回饋問(wèn)題就提了出來(lái)，關(guān)于這方而的研究也很多。而PWM整流技術(shù)的出現(xiàn)很好地解決了這一問(wèn)題。整流和逆變均采用PWM控制方法，所以又稱為雙PWM變頻技術(shù)。雙PWM控制技術(shù)打破了過(guò)去變頻器的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)，它具有輸入電壓、電流頻率固定，波形均為正弦，功率因數(shù)接近1，輸出電壓、電流頻率可變，電流波形也為正弦的特點(diǎn)。所以雙PWM技術(shù)將給變頻器增添新的生機(jī)。第2章 功率因數(shù)校正第2章 功率因數(shù)校正2.1功率因數(shù)校正的基本原理功率因數(shù)校正電路基本上是一個(gè)AC/DC變換器。一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的變換器利用

26、脈沖波寬度調(diào)變（PWM）技術(shù)來(lái)調(diào)整輸入功率的大小，來(lái)供應(yīng)適當(dāng)?shù)呢?fù)載所需的功率。脈沖波寬度調(diào)變器控制切換開(kāi)關(guān)將直流輸入電壓變成一串電壓脈沖，隨后利用變壓器和快速二極管將其轉(zhuǎn)成平滑的直流輸出。這個(gè)輸出電壓隨即于一個(gè)參考電壓（這個(gè)電壓式電源供應(yīng)器應(yīng)該輸出的標(biāo)準(zhǔn)電壓值）進(jìn)行比較，所產(chǎn)生的電壓差回饋至PWM控制器。這個(gè)誤差電壓信號(hào)用來(lái)改變脈沖寬度的大小，如果輸出電壓過(guò)高，脈沖寬度會(huì)減小，進(jìn)而使輸出電壓信號(hào)降低，易使輸出電壓恢復(fù)至正常輸出值。PFC電路也是運(yùn)用這個(gè)方法，都是加入了一個(gè)更先進(jìn)的元件，使得來(lái)自交流電源的電流是一個(gè)正弦波并與交流電壓同位。此時(shí)誤差電壓信號(hào)的調(diào)變是有整流后的交流電壓和輸出電壓的變化

27、來(lái)控制的，最后誤差電壓信號(hào)回饋至PWM控制器。也就是說(shuō)，當(dāng)交流電壓較高時(shí)，PFC電路就從交流電源吸收較多的功率；反之，若交流電壓較低，則吸收較少的功率，如此可以抑制交流電流諧波的產(chǎn)生。2.2 PFC技術(shù)分類根據(jù)電網(wǎng)供電方式，PFC電路分為PFC單相電路和三相PFC電路；根據(jù)電路構(gòu)成，PFC電路分為有源PFC電路和無(wú)源PFC電路。PFC技術(shù)有多種分類方法，一般認(rèn)為有來(lái)年各種基本的有源PFC技術(shù)，其中一種是變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式下的乘法器型PFC技術(shù)，另一重是變換器工作在變連續(xù)導(dǎo)電模式下的電壓跟隨型的PFC技術(shù)。實(shí)際上還有磁放大PFC技術(shù)，三電平（Three-level）PFC技術(shù)和變連續(xù)電容電

28、壓模式（DCVM）PFC技術(shù)等。2.3 常用功率因數(shù)校正方法2.3.1 多脈沖整流法它的基本原理是利用變壓器對(duì)各次不同諧波電流進(jìn)行移相，使奇次諧波在變壓器次級(jí)相互疊加而取消。這種方法在變壓器負(fù)載平衡的狀態(tài)下對(duì)減小輸入端的低次諧波是有效的。2.3.2 無(wú)源校正無(wú)源校正方法即通過(guò)無(wú)源元件電阻、電容、電感, 以降低整流器注入電網(wǎng)的諧波電流第5頁(yè) 共34頁(yè)單周期控制的高功率因數(shù)整流器的研究含量和提高其網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)。無(wú)源校正方法大致可分為3種: 一般方法、串型聯(lián)諧振法和并聯(lián)型2.3.2.1 常用方法圖2-1為單相不控整流電路功率因數(shù)常用校正方法的原理電路。可以看出這一方法具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元件少、成本低、可

29、靠性強(qiáng)和工作穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。在這里, 以往在設(shè)計(jì)電感和電容時(shí), 主要從降低直流側(cè)電壓或電流的脈動(dòng)系數(shù), 從而減小其對(duì)負(fù)載的影響的角度考慮。實(shí)際上, 電壓脈動(dòng)的大小主要取決于電容, 入端諧波含量和功率因數(shù)的大小則更取決于電感的設(shè)計(jì)。因此, 電感的設(shè)計(jì)主要以降低諧波電流含量為依據(jù)。此方案首先由加拿大的S. B. Dew an教授提出, 應(yīng)用于單相不控整流電路,A. W. Kelly 將其應(yīng)用于三相不控整流電路中。研究表明, 在入端加較小的相移校正電路, 功率因數(shù)可達(dá)0. 9左右。這種校正方法的主要缺點(diǎn)是濾波電感體積大, 不利于縮小整機(jī)體積; 功率因數(shù)的進(jìn)一步提高非常困難; 諧波電流含量仍然較大,

30、不能滿足實(shí)際要求; 電感壓降大, 使得直流側(cè)電壓變化范圍大, 對(duì)整機(jī)性能不利。圖2-1常用方法原理圖2.3.2.2 串型聯(lián)諧振法圖2-2是單相不控整流電路功率因數(shù)串型聯(lián)諧振方法的原理電路。通常整流電路注入電網(wǎng)的三次諧波電流含量最大(一般大于70% ) , 因此在實(shí)際應(yīng)用中, 將LC 調(diào)諧到三次諧波頻率, 即對(duì)三次諧波而言阻抗為無(wú)窮大(理論上) , 這樣能有效地抑制三次諧波電流注入電網(wǎng)。串型聯(lián)諧振法由于不增加無(wú)功損耗, 因此能使功率因數(shù)明顯提高(接近0. 9) , 諧波電流含量亦有明顯減少。同樣存在著功率因數(shù)的進(jìn)一步提高非常困難, 諧波電流含量仍然較大, 在某些場(chǎng)合不能滿足實(shí)際要求等不足。圖2-

31、2 串型聯(lián)諧振方法的原理電路2.3.2.3 并型聯(lián)諧振法圖2-3是單相不控整流電路功率因數(shù)并聯(lián)型諧振方法的原理電路。同樣在實(shí)際應(yīng)用中, 將LC 調(diào)諧到三次諧波頻率, 即對(duì)三次諧波而言阻抗為無(wú)窮小(理論上) , 這樣能有效地抑第2章 功率因數(shù)校正制三次諧波電流注入電網(wǎng), 減小了電流波形的畸變程度。但是并聯(lián)型諧振法不但沒(méi)能提高網(wǎng)側(cè)功率因數(shù), 反而使功率因數(shù)降低了, 因?yàn)檫@種并型聯(lián)諧振濾波的作用就像一個(gè)工作在市電頻率下的靜止無(wú)功發(fā)生器, 從而增加了無(wú)功損耗。因此, 無(wú)源方法校正功率因數(shù)、降低諧波電流含量, 雖然電路簡(jiǎn)單, 但有明顯的局限性,而且直波側(cè)動(dòng)態(tài)性能差。為此, 人們更注重有源校正方法的研究。

32、圖23 并聯(lián)型諧振方法的原理電路2.3.3 有源校正功率因數(shù)校正法（Active Power Factor Correction-APFC）有源校正功率因數(shù)校正直接采用有源開(kāi)關(guān)或AC/DC變換技術(shù)，使輸入電流成為電網(wǎng)電壓同相位的正弦波。在整流器和負(fù)載之間介入一個(gè)開(kāi)關(guān)變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入端的電流波形跟蹤交流輸入正弦電壓的波形，從而使電網(wǎng)輸入端的波形比基尼正弦波，并與輸入的電網(wǎng)電壓通相位。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是：可得到較高的功率因數(shù)，總諧波畸變小，可在較寬的輸入電壓范圍內(nèi)和寬帶下工作，體積小，重量輕，輸出電壓也保持恒定。APFC電路的工作原理詳見(jiàn)第3章。2.4 功率因數(shù)校正電路的結(jié)構(gòu)形式

33、2.4.1 PFC電路功率因數(shù)校正技術(shù)PFC就是使得輸入電流跟蹤輸入電壓波形，減小諧波畸變，提高PF值。80年代初至今，PFC電路拓?fù)浜涂刂撇呗缘玫搅舜罅垦芯?，并且推出了一系列的拓?fù)?。PFC電路大體可以分為兩級(jí)級(jí)聯(lián)式和單級(jí)隔離式。兩級(jí)級(jí)聯(lián)式PFC前級(jí)大多采用不控整流加Boost變換器作為功率因數(shù)校正器，后面再加一級(jí)DC/DC變換器或者DC/AC變換器調(diào)節(jié)輸出電壓;單級(jí)隔離式PFC則是將PFC級(jí)DC/DC變換器結(jié)合成一級(jí)，兩級(jí)共用一個(gè)開(kāi)關(guān)管，只調(diào)節(jié)一個(gè)變量，在實(shí)現(xiàn)輸出電壓快速調(diào)節(jié)的同時(shí)不用增加功率開(kāi)關(guān)器件，就能提高功率因數(shù)，控制也較兩級(jí)PFC簡(jiǎn)單。兩級(jí)級(jí)聯(lián)式功率因數(shù)校正電路又包括單相PFC電路和

34、三相PFC電路。圖2-4給出了兩級(jí)PFC功率變換的方框圖。PFC與DC/DC之間的電容是用來(lái)吸收半個(gè)交流周期內(nèi)輸入和輸出間不平衡的能量第7頁(yè) 共34頁(yè)單周期控制的高功率因數(shù)整流器的研究圖2-4 兩級(jí)功率因數(shù)校正方框圖兩級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)發(fā)展至今己經(jīng)較為成熟，在實(shí)際開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品多采用它來(lái)實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)。使用兩級(jí)PFC具有以下的一些優(yōu)缺點(diǎn):1. 具有高的功率因數(shù)，THD較小;2. 分為兩級(jí)控制，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)完全解禍，輸出DC/DC變換部分可依據(jù)不同需要采取多種措施:3. 系統(tǒng)適用在大功率開(kāi)關(guān)電源中:4. 一般采用連續(xù)模式來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正;5. 功率元器件較多， 電路復(fù)雜，需要采用電流和電壓復(fù)合控制;

35、兩級(jí)功率因數(shù)校正控制比較復(fù)雜， 電子元器件較多，在小功率應(yīng)用的場(chǎng)合，性價(jià)比不高。單級(jí)PFC電路是通過(guò)共用開(kāi)關(guān)和控制電路，將輸入電流整流，隔離以及快速輸出電壓調(diào)節(jié)功能級(jí)集成在單級(jí)電路里，在兩部分電路之間增加能量存儲(chǔ)單元。這種方法在性能與成本之間提出折衷的解決方式。從電路的構(gòu)成上可以分為串聯(lián)式單級(jí)變換器和并聯(lián)式單級(jí)變換器。串聯(lián)式單級(jí)功率因數(shù)校正變換器可以看作是由兩級(jí)變換衍化而R.Erickson在1990年較早地提出了建立在反激變換器基礎(chǔ)上的簡(jiǎn)單高功率因數(shù)整流器的設(shè)計(jì)。此后， M. H. Kherulawa等人陸續(xù)提出了幾種單級(jí)PFC技術(shù)，但所有這些方案都存在輸出電壓調(diào)節(jié)慢、控制復(fù)雜和效率低等缺點(diǎn)

36、。1994年， Richard. Redl提出了一系列新型單級(jí)隔離式功率因數(shù)校正變換器，克服了上述缺點(diǎn)，具有快速調(diào)節(jié)輸出電壓、只需一個(gè)或同步控制的兩個(gè)開(kāi)關(guān)、一個(gè)PWM控制回路且自動(dòng)整定線電流的優(yōu)點(diǎn)。圖2-5給出了單級(jí)隔離式PFC變換電路方框圖。這種變換器的PFC單元和DC/DC單元共用一個(gè)開(kāi)關(guān)， 因此省去了一個(gè)開(kāi)關(guān)及其控制器。圖2-5 單級(jí)隔離式PFC變換電路方框圖單級(jí)功率因數(shù)校正的優(yōu)缺點(diǎn)可以總結(jié)如下:1.電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)控制，性價(jià)比高;2.只需采用一個(gè)電壓環(huán);3.器件的電壓應(yīng)力較大;4.輸入對(duì)EMI設(shè)計(jì)有要求; 5.適用于小功率場(chǎng)合(<200W)第2章 功率因數(shù)校正2.4.2主電

37、路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)單相功率因數(shù)校正的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通常采用開(kāi)關(guān)變換器，從原理上說(shuō)，任何一種DC-DC變換器拓?fù)淙鏐UCk, Boost, Buck-Boost, Flyback, Cuk, Septic及Zeta變換器都可以作為PFC的主電路。圖2-6給出了其中的三種常用的主電路拓?fù)洹?.4.2.1 Boost-PFC主電路當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，電流IL流過(guò)電感線圈L，在電感線圈未飽和前，電流線性增加，電能以磁能的形式儲(chǔ)存在電感線圈中，此時(shí)，電容C放電為負(fù)載提供能量；當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)，由于線圈中的磁能將改變線圈L兩端的電壓極性，以保持其電流IL不變。這樣，線圈L轉(zhuǎn)化成的電壓VL與電源VIN串聯(lián)，以高于輸出

38、電壓向電容和負(fù)載供電。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是輸入電流完全連續(xù)，并且在整個(gè)輸入電壓的正弦周期都可以調(diào)制，因此可獲得很高的功率因數(shù)；電感電流即為輸入電流，容易調(diào)節(jié)；開(kāi)關(guān)管門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)地與輸出共地，驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單；輸入電流連續(xù)，開(kāi)關(guān)管的電流峰值較小，對(duì)輸入電壓變化適應(yīng)性強(qiáng)，適用于網(wǎng)壓變化特別大的場(chǎng)合。其主要缺點(diǎn)為輸出電壓必須大于輸入電壓的最大值，所以輸出電壓比較高；不能利用開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)。2.4.2.2 Buck-PFC主電路當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，電流IL流過(guò)電感線圈，在電感線圈未飽和前，電流IL線性增加；當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q關(guān)斷時(shí)，由于線圈中的磁能將改變線圈兩端的電壓極性，以保持IL不變。由于變換器輸出電壓小于電源

39、電壓，故稱它為降壓變換器。這種電路的主要優(yōu)點(diǎn)是開(kāi)關(guān)管所受的最大電壓為輸入電壓的最大值，因此開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力比較??；后級(jí)短路時(shí)，可以利用開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)。該電路的主要缺點(diǎn)是：由于輸入電壓大于輸出電壓，該電路才能工作，所以在每個(gè)輸入正弦周期中，該電路有一段因輸入電壓低而不能正常工作，輸出電壓較低，相同功率等級(jí)時(shí)，后級(jí)DC/DC變換器電流應(yīng)力較大，開(kāi)關(guān)管門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)地與輸出地不同，驅(qū)動(dòng)比較復(fù)雜，輸入電流斷續(xù)，因此功率因數(shù)不可能提高很多。2.4.2.3 Buck-Boost-PFC主電路當(dāng)開(kāi)關(guān)管Q導(dǎo)通時(shí)，電流IIN流過(guò)電感線圈，L儲(chǔ)存能量，此時(shí)，電容C放電為負(fù)載提供能量；當(dāng)開(kāi)關(guān)Q斷開(kāi)時(shí)，IL有減

40、小趨勢(shì)，電感線圈產(chǎn)生的自感電勢(shì)反向，二極管D正向偏壓而導(dǎo)通，電感釋放其儲(chǔ)存的能量，向電容C和負(fù)載供電。該電路的優(yōu)點(diǎn)有：即可對(duì)輸入電壓升壓，又可以降壓，因此在整個(gè)輸入正弦周期都可以連續(xù)工作；該電路輸出電壓選擇范圍較大，可根據(jù)后級(jí)的不同的要求設(shè)計(jì)；利用開(kāi)關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)。該電路的主要缺點(diǎn)有：開(kāi)關(guān)管所受的電壓為輸入電壓與輸出電壓之和，因此開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力較大；由于每個(gè)開(kāi)關(guān)周中，只有在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)才有輸入電流，因此峰值電流較大；開(kāi)關(guān)管門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)地與輸出地不同，驅(qū)動(dòng)比較復(fù)雜；輸出電壓極性與輸入電壓極性相反，后級(jí)逆變電路較難設(shè)計(jì)。第9頁(yè) 共34頁(yè)單周期控制的高功率因數(shù)整流器的研究圖2-6 常用功

41、率因數(shù)校正的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)2.4.2.4 主電路小結(jié)由于BOOST電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)成本低，所以它是目前應(yīng)用最廣泛的功率因數(shù)校正電路。除了上述特點(diǎn)，在BOOST 電路中與整流橋串聯(lián)的電感能減小高頻噪聲，減小輸入濾波器的體積，從而降低了成本。結(jié)構(gòu)形式BOOSTBUCKBUCK/BOOST功率因數(shù)高低高Uo與Ui的關(guān)系Uo大于 UiUo小于等于UiUo為任意值濾波電路體積小大大短路保護(hù)無(wú)有有開(kāi)關(guān)電壓UoUiUi+Uo門極驅(qū)動(dòng)信號(hào)接地浮地浮地本文的單相功率因數(shù)校正電路將以Boost電路為主電路進(jìn)行分析。2.5 功率因數(shù)校正控制方法PFC電路在提高電力電子裝置網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)、降低電網(wǎng)諧波污染方面起著很重要

42、的作用。隨著PFC技術(shù)應(yīng)用的普及，PFC電路拓?fù)淙諠u成熟。按照輸入電感電流是否連續(xù)，PFC分為不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)和連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM )，以及介于兩者之間的臨界DCM模式(BCM)。有的電路還根據(jù)載功率的大小，使得變換器在不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)和連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)之間互相轉(zhuǎn)換，稱為混連模式(Mixed Conduction Mode-MCM)。DCM的控制可以采用恒頻、變頻、等面積等多種方式。CCM模式根據(jù)是否直接選取瞬態(tài)電感電流作為反饋和被控制量，有直接電流控制和間接電流控制之分。直接電流控制有峰值電流控制(PCMC )、滯環(huán)電流控制(HCC)、平均電流控制(ACMC )、預(yù)測(cè)

43、瞬態(tài)電流控制(PICC )、線性峰值電流控制(LPCM )、非線性載波控制(NLC )等方式。電流的控制也可以通過(guò)控制整流橋輸入端電壓的方式間接實(shí)現(xiàn)，稱為間接電流控制或電壓控制。第2章 功率因數(shù)校正2.5.1 DCM控制DCM控制又稱電壓跟蹤方法，它是PFC中簡(jiǎn)單而實(shí)用的一種控制方式，應(yīng)用較為廣泛。DCM控制模式的特點(diǎn):輸入電流自動(dòng)跟蹤電壓并保持較小的電流畸變率;功率管實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)通(ZCS)且不承受二極管的反向恢復(fù)電流;輸入輸出電流紋波較大，對(duì)濾波電路要求較高:峰值電流遠(yuǎn)高于平均電流，器件承受較大的應(yīng)力:單相PFC功率一般小于200W，三相PFC功率一般小于10KW。2.5.1.1 恒頻控制

44、 下圖2-9為Boost電路的DCM控制原理圖，電壓調(diào)節(jié)器E/A的頻帶寬度取1020Hz,確保穩(wěn)態(tài)時(shí)輸出占空比在半個(gè)工頻周期保持不變。恒頻控制時(shí)開(kāi)關(guān)周期恒定，電感電流不連續(xù)。電感電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中的平均值為:（2-1）式中Ug-整流后的電壓 Ton-功率開(kāi)關(guān)管VS的導(dǎo)通時(shí)間 Tdon-二極管VD的續(xù)流時(shí)間Ts-開(kāi)關(guān)周期式中若Tdon恒定，DC/DC變換器輸入側(cè)等效為阻性負(fù)載，整流器交流側(cè)電壓電流同相位。實(shí)際上，Tdon在半個(gè)工頻周期中并不恒定，導(dǎo)致輸入平均電流有一定程度的畸變。輸出電壓和輸入電壓峰值的比值越大，輸入電流畸變程度越小。該控制方式下的電流THD可控制在10%以內(nèi)。圖2-7DCM控

45、制原理圖2.5.1.2 變頻控制式(2-1)中，若Ts = Ton + Tdon，則輸入平均電流只與導(dǎo)通時(shí)間有關(guān)，保持To恒定，輸入電流理論上無(wú)畸變，這就是變頻控制的原理。變頻控制方式下的電流工作于臨界DCM狀態(tài)。有文獻(xiàn)提出以中等面積控制方法減小電流THD，它通過(guò)控制實(shí)際電流在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的時(shí)間積分面積與電流參考信號(hào)的時(shí)間積分面積相等，從而實(shí)現(xiàn)輸入平均電流與參考電流的零誤差。此外，占空比調(diào)制、諧波注入PWM等方式也可以減小輸入電流諧波含量。有文獻(xiàn)對(duì)三相單開(kāi)關(guān)電路提出一種優(yōu)化的占空比調(diào)制方法，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)對(duì)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)，減小了輸入電流中與電網(wǎng)頻率相關(guān)的紋波。第11頁(yè) 共34頁(yè)第2章 功率因數(shù)

46、校正2.5.2 CCM控制模式 CCM相對(duì)DCM其優(yōu)點(diǎn)為:輸入和輸出電流紋波小、THD和EMI小、濾波容易;RMS電流小、器件導(dǎo)通損耗小;適用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合。CCM模式下有直接電流控制與間接電流控制兩種方式。直接電流控制的優(yōu)點(diǎn)是電流瞬態(tài)特性好，自身具有過(guò)流保護(hù)能力，但需要檢測(cè)瞬態(tài)電流，控制電路復(fù)雜。間接電流控制的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、開(kāi)關(guān)機(jī)理清晰。2.5.2.1 直接電流控制 直接電流控制是目前應(yīng)用最多的控制方式，它來(lái)源于DCIDC變換器的電流模式控制。將輸入電壓信號(hào)與輸出電壓誤差信號(hào)相乘后作為電流控制器的電流給定信號(hào)，電流控制器控制輸入電流按給定信號(hào)變化。根據(jù)控制方式的不同，較典型的控制方式有峰

47、值電流控制、平均電流控制和滯環(huán)電流控制等。（1）峰值電流控制(PCMC) PFC中的峰值電流控制和DC/DC變換器中的峰值電流控制原理相同，只是電流環(huán)的程控信號(hào)不再是直流而是按正弦規(guī)律變化。峰值電流控制實(shí)現(xiàn)較為容易，相關(guān)的控制IC有ML4812. ML4819, TK84812, TK84819等。圖2-8 電流峰值控制法實(shí)現(xiàn)的BOOST功率因數(shù)校正原理框圖圖2-8為電流峰值控制法實(shí)現(xiàn)的BOOST功率因數(shù)校正原理圖。圖中，開(kāi)關(guān)管的電流is被檢測(cè)，所得信號(hào)isRi被送入比較器，電流基準(zhǔn)值由乘法器輸出Z供給。乘法器有兩個(gè)輸入，一個(gè)是X，是輸出電壓V0/H與基準(zhǔn)電壓Vref之間的誤差（經(jīng)過(guò)電壓誤差放

48、大器VA）信號(hào)：另一個(gè)輸入Y為電壓Vdc檢測(cè)值Vdc/K，Vdc輸入正弦電壓Vi的全波整流值。因此電流基準(zhǔn)為雙半波正弦電壓，令電感（輸入）電流的峰值包絡(luò)線跟蹤輸入電壓Vdc的波形，使輸入電流和輸入電壓同相位，并接近正弦。閉環(huán)系統(tǒng)中的電壓環(huán)由分壓器1/H,電壓誤差放大器VA，乘法器，電流比較器及驅(qū)動(dòng)器組成。因此，在保持輸入端功率因數(shù)接近1的同時(shí)，也保持輸出電壓穩(wěn)定。峰值電流控制的缺點(diǎn):電流峰值和平均值之間存在誤差，無(wú)法滿足THD很小的要求電流峰值對(duì)噪聲敏感:占空比大于0.5時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生次諧波振蕩:需要在比較器輸入端加斜坡補(bǔ)償。在PFC中，這種控制方法趨于被淘汰。（2）滯環(huán)電流控制(HCC) 滯環(huán)電

49、流控制最初用于控制電壓型逆變器的輸出交流電流，對(duì)Boost電路而言，它是最簡(jiǎn)單的電流控制方式。第13頁(yè) 共34頁(yè)圖2-10 滯環(huán)電流控制的BOOST功率因數(shù)校正的原理圖圖2-10給出了用滯環(huán)電流控制的BOOST功率因數(shù)校正的原理圖，由圖可見(jiàn)，電流滯環(huán)控制法與峰值法控制的差別只是：前者檢測(cè)的電流是電感電流，而且控制電路中多了一個(gè)滯環(huán)邏輯控制。滯環(huán)控制器的特性，和繼電器特性一樣，有一個(gè)電流滯環(huán)帶。所以檢測(cè)的輸入電壓經(jīng)分壓后，產(chǎn)生兩個(gè)基準(zhǔn)電流：上限和下限值。當(dāng)電感電流達(dá)到基準(zhǔn)下限值時(shí)，開(kāi)關(guān)導(dǎo)通，電感電流上升，當(dāng)電感電流達(dá)到基準(zhǔn)值上限時(shí)，開(kāi)關(guān)管端，電感電流下降。電流滯環(huán)寬度決定了電流波紋的大小，它可以

50、是定值。也可以與瞬時(shí)平均電流成反比。電流滯環(huán)控制法仍對(duì)噪聲敏感。從其控制原理上來(lái)說(shuō)，仍是雙環(huán)控制。內(nèi)環(huán)為電流調(diào)節(jié)環(huán)，提高了系統(tǒng)性能的快速性。外環(huán)為穩(wěn)定輸出電壓的閉環(huán)反饋，用來(lái)提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和控制精度。給定的基準(zhǔn)電壓與反饋電壓比較后，作為電流調(diào)節(jié)環(huán)的基準(zhǔn)值與輸入電流檢測(cè)值比較后，在滯環(huán)比價(jià)比較器運(yùn)算后，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路便形成了PWM脈沖驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷。滯環(huán)電流控制的特點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單、電流動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、具有內(nèi)在的電流限制能力:開(kāi)關(guān)頻率在一個(gè)工頻周期中不恒定，引起EMI問(wèn)題和電流過(guò)零點(diǎn)的死區(qū):負(fù)載對(duì)開(kāi)關(guān)頻率影響很大，濾波器只能按最低頻率設(shè)計(jì):滯環(huán)寬度對(duì)開(kāi)關(guān)頻率和系統(tǒng)性能影響大，需合理選取。傳統(tǒng)的滯環(huán)

51、控制改變頻率的缺點(diǎn)促使研究者尋求改進(jìn)的方法，主要思路是將滯環(huán)控制的優(yōu)點(diǎn)和恒頻控制的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)。（3）平均電流控制(ACMC)平均電流控制，又稱三角載波控制。圖示2-10為平均電流控制BOOST功率因數(shù)校正原理圖。它的主要特點(diǎn)是用電流誤差放大器CA代替前面兩種控制的電流比較器。平均電流控制法應(yīng)用于功率因數(shù)調(diào)節(jié)，以輸入整流電壓和輸出電壓誤差放大信號(hào)的乘積為基準(zhǔn)電流；并且電流環(huán)調(diào)節(jié)輸入電流平均值，使與輸入整流電壓同相位，并接近正弦波。輸入電流信號(hào)被直接檢測(cè)與基準(zhǔn)電流比較后，其高頻份量的變化，通過(guò)電流誤差放大器，被平均化處理。放大后的平均電流誤差與鋸齒波斜坡比較后，給開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并決定了其應(yīng)有的占

52、空比。于是電流信號(hào)誤差被迅速而精確的校正，由于電流環(huán)由較高的增益寬帶，是跟蹤誤差的畸變小于1%，容易實(shí)現(xiàn)接近1的功率因數(shù)。平均電流控制的特點(diǎn)是:THD和EMI小、對(duì)噪聲不敏感、開(kāi)關(guān)頻率固定，適用于大功率應(yīng)用場(chǎng)合，是目前PFC中應(yīng)用最多的一種控制方式。以平均電流控制原理設(shè)計(jì)的PFC集成控制器UC3854，在單相Boost型電路中得到了普遍應(yīng)用。其它平均電流控制IC有TK83854, ML4821等。圖2-10 平均電流控制BOOST功率因數(shù)校正原理圖預(yù)測(cè)瞬態(tài)電流控制(PICC)是針對(duì)數(shù)字式控制提出的一種控制策略，它通過(guò)推導(dǎo)一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感平均電壓和電流表達(dá)式，根據(jù)期望的電流值預(yù)測(cè)下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期

53、的平均電感電壓(開(kāi)關(guān)占空比)。將其連續(xù)化處理后，可以發(fā)現(xiàn)它和平均電流控制有相似的結(jié)構(gòu)。2.5.2.2 間接電流控制 間接電流控制是一種基于工頻穩(wěn)態(tài)的控制方式。圖2-11（a）為間接電流控制原理圖，整流橋?yàn)閱蜗嗫赡娼Y(jié)構(gòu)，圖中電感電流is由電源電壓Us和整流橋輸入電壓Uan的基波分量決定，當(dāng)電源電壓和電感值一定時(shí)，通過(guò)控制電壓Uan的幅值和相位，即可控制輸入電流，這就是間接電流控制的基本原理，圖2-11(b)為電路處于功率因數(shù)為1的整流狀態(tài)時(shí)的相量圖。從相量圖可以看出，當(dāng)Um的相位超前電源電壓時(shí)，電感電流反向，整流橋進(jìn)入逆變狀態(tài)。通過(guò)控制電壓Uan1整流橋可實(shí)現(xiàn)四象限運(yùn)行。（a）間接電流控制原理圖

54、 (b)相量圖圖2-11 間接電流控制間接電流控制的缺點(diǎn):自身無(wú)限流功能，需另加過(guò)流保護(hù)電路;系統(tǒng)從一穩(wěn)態(tài)向另一穩(wěn)態(tài)過(guò)渡時(shí)電流中會(huì)出現(xiàn)直流分量:系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢。間接電流控制的上述缺點(diǎn)影響了它在PFC中的應(yīng)用。第3章 單相高功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)第3章 單相高功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)3.1基本原理3.1.1 BoostAPFC電路的工作原理有源功率因數(shù)校正大都采用高頻APFC電路。該電路接在整流橋和變換器之間，其功率因數(shù)可達(dá)0.99以上，諧波分量小于10%，輸入電壓在90270V，適用范圍廣，輸出電壓穩(wěn)定，但電路復(fù)雜，大都采用集成電路控制APFC是抑制諧波電流，提高功率因數(shù)的有效方法，交流輸入電壓

55、經(jīng)過(guò)橋式整流后再經(jīng)DC/DC交換，通過(guò)相應(yīng)的控制使輸入電流平均值自動(dòng)跟隨全波整流電壓基準(zhǔn)值并保持輸出電壓穩(wěn)定。APFC電路有兩個(gè)反饋控制環(huán)：一是輸入電流環(huán)，使DC/DC交換器輸入電流的波形與橋式整流電壓的波形相同；二是輸出電壓環(huán)，使DC/DC交換器輸出端為一個(gè)直流穩(wěn)壓源。在APFC電路中，DC/DC交換器是輸入電流和輸入電壓都為橋式整流波形，并且相位相同。圖3-1 升壓式功率因數(shù)校正電路原理圖圖3-1是升壓式功率因數(shù)校正電路的方框圖。升壓式功率因數(shù)校正的功率電路與DC/DC生涯是變換電路是相同的。在電感前面的二極管橋整流交流輸入電壓，通常AC/DC交換用的大輸入電容被移到升壓變換器的輸出端。如果有輸入電容緊接輸入二極管橋，也只適用于噪聲控制的小電容。升壓調(diào)解器的輸出是一個(gè)恒定電壓，但輸入電流因輸入電壓被調(diào)整成半個(gè)正弦波。進(jìn)入輸出電容的功率并非是恒定的，但它是一個(gè)兩倍于電網(wǎng)線路頻率的正弦波，為功率時(shí)瞬時(shí)電壓與電流的乘積，見(jiàn)圖3-2。第15頁(yè) 共34頁(yè)第3章 單相高功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)圖3-2 PFC預(yù)調(diào)整器波形圖3-2中最上端的波形表示輸入功率因數(shù)校正器的電壓和電流波形，第二個(gè)波形是流進(jìn)和流出輸出電容的能量。當(dāng)輸入電壓高時(shí)，輸出電容儲(chǔ)存能量；當(dāng)輸入電壓低時(shí)，則釋放能量以保持輸出功率