有源濾波對(duì)開關(guān)電源功率因數(shù)進(jìn)行校正-本科畢業(yè)論文設(shè)計(jì)

東北石油大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）MACROBUTTONMTEditEquationSection2EquationChapter1Section1SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\r1\h摘要開關(guān)電源是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換和功率傳遞的重要設(shè)備。近年來,隨著電力電子技術(shù)的快速發(fā)展,開關(guān)電源因其效率高、性能好、成本低而被廣泛應(yīng)用于國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)領(lǐng)域,并取得了顯著的效益。因此研究設(shè)計(jì)一款性能穩(wěn)定、可靠性高的開關(guān)電源具有極高的科研意義和商業(yè)價(jià)值[1]。本文對(duì)Boost型功率因數(shù)校正技術(shù)進(jìn)行了分析、設(shè)計(jì)和研究。詳細(xì)分析了有源功率因數(shù)校正器的基本工作原理,通過比較幾種不同拓?fù)涞腜FC變換器主電路的優(yōu)缺點(diǎn),和比較控制電路的幾種不同控制方法的優(yōu)缺點(diǎn),明確本文所要研究的對(duì)象為平均電流控制（ACM）的Boost型功率因數(shù)校正器。在此基礎(chǔ)上對(duì)Boost主電路和控制電路進(jìn)行數(shù)學(xué)建模,得出其狀態(tài)方程和傳遞函數(shù),運(yùn)用仿真軟件MATLAB中的Simulink工具,建立了Boost主電路和控制電路的Simulink仿真模型,并得出其仿真結(jié)果。本文根據(jù)Boost變換器的特點(diǎn)和要求,設(shè)計(jì)了一個(gè)具體、實(shí)用的帶PFC功能的開關(guān)電源電路,并給出了具體設(shè)計(jì)步驟和電路參數(shù)的計(jì)算。平均電流控制的單相Boost功率因數(shù)校正電路,完全能夠達(dá)到整流、高輸入功率因數(shù)、升壓、穩(wěn)壓、低紋波的目標(biāo),具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞:功率因數(shù)校正；Boost變換器；仿真

AbstractSwichingpowersupplyisanimportanttoachievePowerconversionAndPowerdelivery.Inreeentyears,Swichingpowersupplyiswidelyusedinvariousefieldofnationaleconomywiththedevelopmentofpowerelectronicetechnology,andachieveingremarkableresult,becauseofitshigheffieieney,goodperformanceandlowcost.SodesigningakindofSwitchingPowersupplywithsteadyPerformanceandhighreliabilityhashighseientificandcommercialvalues.BasedonthesummaryofthefruitsoftheresearchoftheActivePowerFactorCorrection,thePFCsystem,whichadoptsBoostpowerconvertercircuitandAverageCurrentModecontrolscheme,iswellstudiedinthisthesis.Accordingtotheprincipleandthediscussionofthesingle-phaseactivepowercorrection,concludingdifferentstructuresofthemaincircuitandmethodsofthecontrollers,thePFCsystem,whichadoptsBoostpowerconvertercircuitandAverageCurrentModecontrolschemeisindicatedasthedevelopingdirectionofPFCandregardedasPFCsystemstructure.Then,thestatedifferentialequationsofidealBoostconverterandthegeneraltransferfunctionsofPWMconverterarededucedandthesimulationmodelsofidealconverterareshowedusingMATLAB.Besides,wedesignapracticalcircuitwiththefunctionofPFC,givingdiscretedesignstepsandthecalculationofthecircuitparameters.Finally,wecanconcludethatthePFCsystemwhichadoptsBoostpowerconvertercircuitandAverageCurrentModecontrolschemecanachievegoodperformance,whichcanbeusedwidelyinthefuture.Keywords:PFC(powerfactorcorrection);Boostconverter;Simulation目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第1章緒論 )f（6）求RR3.3本章小結(jié)本章確定了本文的研究對(duì)象為平均電流控制的Boost型APFC電路,并對(duì)主電路的參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì),對(duì)控制電路的主要環(huán)節(jié)進(jìn)行了建模和參數(shù)計(jì)算,至此完成了基于UC3854控制芯片Boost型APFC系統(tǒng)主電路、控制電路及外圍電路的設(shè)計(jì),我們可以依照這些參數(shù)設(shè)計(jì)APFC的仿真模型。

第4章APFC電路的仿真分析4.1MATLAB簡(jiǎn)介MATLAB是一種以矩陣為基礎(chǔ)的交互式程序計(jì)算語一言。它采用開放性開發(fā)的思想,在圖形表達(dá)、解決科學(xué)和工程上復(fù)雜的數(shù)學(xué)問題、自動(dòng)控制以及信號(hào)和圖像處理方面具有強(qiáng)大的功能,己發(fā)展成為適合各種平臺(tái)的多功能的大型軟件。由于操作方便、使用簡(jiǎn)單,因此收到越來越多用戶的喜愛和歡迎,成為國(guó)內(nèi)外教育教學(xué)和科學(xué)研究的最常用的軟件之一。1990年基于框圖的仿真平臺(tái)Simulink首先在Mathworks軟件公司面世。Simulink是一中實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模仿真和分析的集成軟件包,包含了線性系統(tǒng)、非線性系統(tǒng)和離散系統(tǒng)的仿真。用simuhnk對(duì)系統(tǒng)和電路進(jìn)行仿真研究,能彌補(bǔ)非線性化帶來的問題。Simulink仿真環(huán)境也成工具箱,包含Simulink仿真平臺(tái)和系統(tǒng)仿真模型庫(kù)兩部分。在Simuhnk仿真環(huán)境下,可以用點(diǎn)擊拖動(dòng)鼠標(biāo)的方式來繪制和組織系統(tǒng)電路來完成仿真研究,同時(shí)系統(tǒng)的函數(shù)和電路元器件都可以用框圖來表達(dá),框圖之間的連線則表示了信號(hào)流動(dòng)的方向。為了驗(yàn)證第三章所設(shè)計(jì)APFC電路對(duì)電流的校正效果,本文采用Matlab6.5平臺(tái)進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。Matlab是美國(guó)MathWorks公司推出的一種基于矩陣計(jì)算的科學(xué)計(jì)算軟件,它采用了開放性開發(fā)的思想,在數(shù)值計(jì)算、圖形處理、數(shù)據(jù)分析及工程設(shè)計(jì)仿真等方面的應(yīng)用極其廣泛,它內(nèi)建了豐富的庫(kù)函數(shù),具有編程效率高、程序設(shè)計(jì)靈活、圖形功能強(qiáng)等特點(diǎn)。已經(jīng)發(fā)展成為適合多學(xué)科、多種工作平臺(tái)的功能強(qiáng)大的大型軟件。Matlab產(chǎn)品是集數(shù)值計(jì)算、高級(jí)繪圖及可視化、高級(jí)程序開發(fā)語言和動(dòng)態(tài)系統(tǒng)建模仿真于一體的開發(fā)環(huán)境。被廣泛應(yīng)用于包括信號(hào)處理與圖象處理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)、財(cái)務(wù)、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域。Matlab的一大特性是有眾多的面向具體應(yīng)用的工具箱,包含了完整的函數(shù)集,用于對(duì)信號(hào)圖象處理、控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電力系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)等。Matlab工具箱是一系列專用的函數(shù)庫(kù),解決特定領(lǐng)域的問題,工具箱是開放的可擴(kuò)展的,可以根據(jù)特殊的需要開發(fā)自己的算法。Matlab提供的Simulink是一個(gè)用來對(duì)動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真和分析的軟件包,它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)。形成了一系列規(guī)模龐大、覆蓋面極廣的工具箱,包含了控制理論、電力系統(tǒng)、信號(hào)處理等大量現(xiàn)代工程技術(shù)學(xué)科。Simulink為用戶提供了圖形化建模的接口,它與傳統(tǒng)的仿真軟件包用微分方程和差分方程建模相比,具有更直觀、方便、靈活的優(yōu)點(diǎn)。Matlab/Simulink中的電力系統(tǒng)工具箱SPB中包括了電路仿真所需的各種元件模型,包括有電源模塊、基礎(chǔ)電路模塊、電力電子模塊、電機(jī)模塊、連線器模塊、檢測(cè)模塊以及附加功率模塊等七種模塊庫(kù)。每個(gè)模塊庫(kù)中包含各種基本元件模型,如電源模塊中有直流電壓、電流源,交流電壓源、電流源,受控電壓源、電流源等五種電源模型；電機(jī)模塊庫(kù)中包含了各種電機(jī)模型,如異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)、水磁同步電動(dòng)機(jī)等；電力電子模塊庫(kù)包含了理想開關(guān)元件、晶閘管、功率場(chǎng)效應(yīng)管、可關(guān)斷晶閘管等多種功率開關(guān)元件模型。只需將模塊中的元件拖到Simulink窗口中,通過參數(shù)設(shè)置對(duì)話框設(shè)置參數(shù)就可以實(shí)現(xiàn)電力電子電路的仿真。本章采用Matlab/Simulink中的電力系統(tǒng)工具箱模塊對(duì)所設(shè)計(jì)的APFC電路進(jìn)行了仿真。4.2APFC主電路的仿真4.2.1主電路的原理圖采用狀態(tài)方程法來推導(dǎo)Boost電路的數(shù)學(xué)模型。圖4-1為基本Boost型變換器的主電路。為了確定開關(guān)管和二極管的工作狀態(tài),引入二進(jìn)制變量A,當(dāng)開關(guān)S導(dǎo)通時(shí),A=1；當(dāng)開關(guān)S截止時(shí),A=0。這樣,變量A就可以代表開關(guān)管和二極管的狀態(tài),它是二進(jìn)制變量,取值{0,1}[14]。SSLVDCR+-++-圖4-1基本Boost型變換器電路當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通時(shí),A=1,則
,即
(4-1)
,即
(4-2)當(dāng)開關(guān)管S截止時(shí),A=0,則有/diL

,即
(4-4)將方程（4-1）~（4-4）聯(lián)立,運(yùn)用二進(jìn)制變量A,由邏輯代數(shù)運(yùn)算規(guī)則,可得到一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的狀態(tài)方程。diLdt=即得Boost主變換電路的狀態(tài)方程:

(4-5)

(4-6)4.2.2主電路的Simulink模型根據(jù)式（4-7）、（4-8）運(yùn)用MATLAB里的Simulink模塊[15]16],即可建立Boost變換電路的仿真模型,如圖4-2所示,這里輸入變量是
、A.R,輸出是
、
。圖4-2Boost主電路的Simulink模型4.2.3主電路仿真結(jié)果圖4-3D=0.5時(shí)的控制波形圖4-4電感電流波形圖4-5電容兩端電壓?jiǎn)?dòng)波形圖4-6電容兩端電壓穩(wěn)態(tài)波形仿真參數(shù)取電感L=0.5mH,電容C=0.96mF,負(fù)載電阻R=100
。當(dāng)輸入電壓
=200V,導(dǎo)通比為D=0.5時(shí),電感電流（輸入電流）、電容電壓（輸出電壓）的波形如圖4-4.4-5.4-6所示。由此可見,當(dāng)導(dǎo)通比D=0.5時(shí),輸入輸出電壓關(guān)系式符合Boost電路輸入與輸出的關(guān)系式
。紋波小于0.5。4.3Boost型APFC電路的仿真4.3.4APFC電路仿真模型圖4-7Boost型APFC的仿真模型 圖4-8UniversalBridge子系統(tǒng)圖圖4-9Subsystem子系統(tǒng)圖根據(jù)第三章對(duì)主功率電路和控制電路的分析與計(jì)算可知,乘法器和電壓、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)是整個(gè)APFC電路的核心部分,整體的仿真框圖如圖4-8所示,APFC的主功率電路是基于Boost型升壓電路設(shè)計(jì)的,UC3854包含了乘法器和電壓、電流環(huán)調(diào)節(jié)器等,UC3854的輸出用來驅(qū)動(dòng)功率MOSFET,通過改變其占空比來強(qiáng)迫輸入電流跟蹤輸入電壓,達(dá)到單位功率因數(shù)輸入的目的。4.3.2APFC電路仿真結(jié)果分析根據(jù)前面分析與計(jì)算電流調(diào)節(jié)器的參數(shù)選定為
,
,
,
。電壓調(diào)節(jié)器的參數(shù)選定為

。仿真所用的電路參數(shù)為：電感L=0.5mH,輸出電容C=0.96mF,開關(guān)頻率
,電網(wǎng)頻率
,
。對(duì)功率因數(shù)校正前后的系統(tǒng)進(jìn)行仿真。圖4-10未加APFC電路時(shí)輸入電壓、電流波形圖4-11加入APFC后輸入電壓、電流波形圖4-10為未經(jīng)APFC時(shí)系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)輸入電壓和輸入電流波形,很顯然,其輸入電流發(fā)生嚴(yán)重畸變,呈窄脈沖狀,電流的畸變由于電網(wǎng)阻抗反過來影響電網(wǎng)電壓,造成總諧波畸變?cè)龃?輸入功率因數(shù)低?？梢钥闯?與系統(tǒng)加APFC電路時(shí)相比,網(wǎng)側(cè)輸入電流由窄脈沖波形變成嚴(yán)格的正弦電流波形,且與輸入電壓同相位。圖4-11表示Boost變換器輸入電壓與輸入電流波形。其中,上面波形為變換器輸入電壓波形,即交流輸入電壓經(jīng)全波整流的輸出電壓。下面波形為變換器輸入電流波形,即升壓電感電流波形。由圖可知,電壓、電流波形為嚴(yán)格的正弦波形,且為同頻同相。APFC使用時(shí),Boost變換器可看作一個(gè)純電阻。 圖4-12加APFC整流后輸入電壓、電流波形圖4-13未加APFC時(shí)輸入功率因數(shù)波形圖4-14加APFC后的輸入功率因數(shù)波形圖4-15未加APFC時(shí)的輸入電流的總諧波畸變圖4-16加APFC后的輸入電流總諧波畸變圖4-17加APFC后的輸出電壓波形將圖4-13與圖4-14比較,明顯可看出功率因數(shù)校正前后系統(tǒng)輸入功率因數(shù)平均值約由0.789提高到0.998左右。將圖4-15與圖4-16相比較,可看出輸入電流的總諧波畸變率由原來的約0.76左右降為接近為零。輸入端總諧波畸變率明顯的減小,輸入功率因數(shù)明顯的提高,從圖4-17看出輸出直流平均電壓為400V左右,輸出電壓較穩(wěn)定,實(shí)現(xiàn)400V直流輸出的要求,達(dá)到較為滿意的效果。4.4APFC電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)由于VD反向恢復(fù)過程中會(huì)產(chǎn)生的過大
的和寄生引線電感造成尖刺紋波噪聲,所以只要解決其反向恢復(fù)產(chǎn)生的電流沖擊問題,尖刺紋波噪聲就能迎刃而解。為此,人們提出了許多BoostPFC主電路的改進(jìn)方案[17]。圖4-18帶中心抽頭的三點(diǎn)式電感Boost主電路PFC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖4-19Boost型APFC的仿真模型根據(jù)第三章對(duì)主功率電路和控制電路的分析與計(jì)算可知,乘法器和電壓、電流調(diào)節(jié)器的設(shè)計(jì)是整個(gè)APFC電路的核心部分,整體的仿真框圖如圖4-8所示,APFC的主功率電路是基于Boost型升壓電路設(shè)計(jì)的,UC3854包含了乘法器和電壓、電流環(huán)調(diào)節(jié)器等,UC3854的輸出用來驅(qū)動(dòng)功率MOSFET,通過改變其占空比來強(qiáng)迫輸入電流跟蹤輸入電壓,達(dá)到單位功率因數(shù)輸入的目的。圖4-20未加電感時(shí)輸入電壓、電流波形圖4-20為未加三點(diǎn)式電感時(shí)的系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)輸入電壓和輸入電流波形,很顯然,其輸入電流發(fā)生嚴(yán)重畸變,呈窄脈沖狀。圖4-21表示加入三點(diǎn)式電感Boost變換器輸入電壓與輸入電流波形由圖可知,電壓、電流波形為嚴(yán)格的正弦波形,且為同頻同相。圖4-21加入電感后輸入電壓、電流波形 圖4-22未加三點(diǎn)式電感時(shí)的總畸變率波形圖4-23加入三點(diǎn)式電感后的總畸變率波形圖4-24未加三點(diǎn)式電感整流后輸入電壓、電流的波形圖4-25加入三點(diǎn)式電感整流后輸入電壓、電流的波形將圖4-22與圖4-23比較,明顯可看出輸入電流的畸變率降低了,從0.6降低到0.23。輸入端總諧波畸變率明顯的減小,輸入功率因數(shù)明顯的提高,實(shí)現(xiàn)能源的“綠色化”,達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求。將圖4-24與圖4-25相比較,可看出輸入電壓、電流不再發(fā)生畸變,呈正弦波的形狀。仿真結(jié)果證明：Boost型APFC實(shí)驗(yàn)裝置可以達(dá)到預(yù)期效果,實(shí)現(xiàn)輸入電流的整形,輸出電壓穩(wěn)定,保證輸入功率因數(shù)PF=1。4.5本章小結(jié)本章主要介紹了Boost主電路和APFC系統(tǒng)的仿真模型,并對(duì)其波形進(jìn)行了分析,仿真結(jié)果驗(yàn)證了本文的設(shè)計(jì)符合功率因數(shù)校正的要求,其仿真模型的建立是正確的。此外本章還采用三點(diǎn)式電感對(duì)Boost電路進(jìn)行了優(yōu)化,減小了由于VD反向恢復(fù)過程中會(huì)產(chǎn)生的過大
,使得輸入電流波形比較平滑。結(jié)論本文介紹了有源功率因數(shù)校正的基本原理,并對(duì)其主電路拓?fù)浜涂刂品椒ㄟM(jìn)行了比較分析,最終確定了本文的研究對(duì)像為平均電流控制的Boost有源功率因數(shù)校正電路。（1）通過建立Boost主電路的狀態(tài)方程,并利用MATLAB/Simulink仿真模塊建立其仿真模型,利用波形分析驗(yàn)證了該模型是完全正確的。（2）搭建了APFC的Simulink仿真模型,實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正的目的,同時(shí)也滿足了課題的要求,驗(yàn)證了本次設(shè)計(jì)的正確性。（3）針對(duì)輸入電流尖峰脈沖問題,設(shè)計(jì)了優(yōu)化方案,即帶抽頭的三點(diǎn)式電感的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),有效地解決了電流尖端脈沖問題。根據(jù)仿真結(jié)果證明本文設(shè)計(jì)的單相Boost型功率因數(shù)校正電路,完全能夠達(dá)到整流、高輸入功率因數(shù)、升壓、穩(wěn)壓的目標(biāo)。參考文獻(xiàn)[1]楊旭,王兆安.開關(guān)電源技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006:253-277,367-400[2]周志敏,周紀(jì)海,紀(jì)愛華.開關(guān)電源功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用[M].北京:人民郵電出版社,2004[3]楊倩,牛鳴德.有源功率因數(shù)校正技術(shù)綜述[J].中國(guó)西部科技,2007年第9期:29-32[4]K.H.Liu,Y.L.Lin.CurrentWaveformDistortioninPowerCorrectionCircuitsEmployingDiscontinuous-ModeBoostConverters.PESC,1989:825-829[5]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000[6]葉斌.電力電子應(yīng)用技術(shù)[M].北京:清華大學(xué)出版社,2006:58-63[7]楊蔭福,段善旭.電力電子裝置及系統(tǒng)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2006：46-50[8]朱方明,余建剛.有源功率因數(shù)校正技術(shù)及應(yīng)用.現(xiàn)代電子技術(shù)[J]．2000年第1期:40~42[9]傅小帆.單相Boost有源功率因數(shù)校正技術(shù)的研究[J].貴州大學(xué)碩士學(xué)位論文.2006:20-66[10]Domingo，S.L.Simonetti，JavierSebastianandJavierUceda.ControlConditionstoImproveConductedEMIbySwitchingFrequencyModulationofBasicDiscontinuousPWMPreregulator.PESC，1994：1180-1187[11]