1、摘要I本科毕业论文（20 届）单相功率因数校正器的设计与仿真所在学院 专业班级 自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 摘要II摘 要由于电力电子装置中的相控整流和不可控二极管整流使输入电流波形产生严重畸变，大大减弱了电力系统的性能，降低了系统的功率因数，还引起了严重的谐波污染，进而阻碍电力电子技术的发展。解决这个问题的有效方法就是采用功率因数校正（PFC ）技术，实现“绿色能源 ”。本文在研究功率因数校正技术的基础上，分析了单相功率因数校正器在应用中因二极管反向恢复而产生的电流冲击、尖端失真以及输出电压飘升等问题，采用 UC3854 平均电流型控制芯片，设计了一种带中心抽头
2、电感的 Boost 功率因数校正（PFC）电路。并对传统的功率因数校正电路进行优化设计，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。仿真的结果表明，优化后的功率因数校正电路性能可靠，功率因数可达 0.99 左右，并且可以与当今通用的 PFC 控制电路兼容，整体性能良好，具有较高的应用价值。关键词：绿色能源，功率因数校正，UC3854，尖端失真AbstractIIAbstractBecause input current waveform serious distortion of the phased rectifier and non-controllable dio
3、de rectifier in power electronic devices , it not only greatly reduces system power factor , but also raises serious harmonic pollution, and thus hinder the power electronics technology development. An effective way to solve this problem is to use a power factor correction (PFC) technology, so that
4、realize the “Green Energy“.Based on the summary of the fruits of the Active Power Factor Correction , the PFC system , 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 novel boost power factor co
5、rrection circuit with tapped inductance is proposed. Some practical problems in UC3854 controlled PFC circuit such as cusp distortion, output voltage raising and so on, are analyzed and some solutions are given respectively. At the same time, protecting circuit for pins of UC3854 and current amplifi
6、er clamping circuit to limit the output voltage swing are designed. Simulation and experimental results prove that the boost PFC rectifier with the optimizing design is reliable, its power factor can reach 0.99. It also can be compatible with the popular PFC control circuit ,with not only more excel
7、lent overall performance but also higher useful value of application .Key words：Green Energy , PFC, UC3854, cusp distortion目录III目录摘 要 .IAbstract.II目录 .III第一章 引言 .11.1 电力谐波的危害 .11.2 谐波治理的意义和必要性 .21.3 功率因数校正技术的发展概况 .21.4 功率因数校正技术的分类 .31.5 课题的目的意义 .41.6 本论文涉及的主要内容和主要技术指标 .41.6.1 主要研究内容 .51.6.2 设计指标 .51
8、.6.3 PFC 目的 .5第二章 单相 APFC 的主功率拓扑及其控制方法 .62.1 有源功率因数校正（APFC） .62.1.1 AC-DC 电路输入功率因数的定义及其与谐波的关系 .62.1.2 APFC 的基本原理 .82.2 APFC 的主电路拓扑结构 .92.2.1 几种常见的 APFC 主电路拓扑 .92.2.2 几种改进型单相功率因数校正主电路拓扑 .112.3 APFC 的典型控制方案 .142.3.1 不连续传导模式（DCM）有源功率因数校正 .142.3.2 连续导电模式（CCM）有源功率因数校正 .162.4 Boost 型 APFC 电路的主要优缺点 .192.4.
9、1 优点： .192.4.2 存在的问题： .192.5 本章小结 .20第三章 500W Boost 型 PFC 电路的设计 .213.1 功率因数校正芯片 UC3854 .213.1.1 UC3854 .213.1.2 UC3854 的特点 .223.1.3 UC3854 的最大工作额定值参数 .223.1.4 UC3854 的保护功能 .223.2 系统主电路的具体设计 .233.2.1 EMI 滤波器的设计 .233.2.2 Boost 变换器的设计 .24目录IV3.3 基于 UC3854 芯片系统控制电路的设计 .263.3.1 外围电路的设计 .263.3.2 电流误差放大器补偿
10、网络的设计 .303.3.3 电压误差放大器补偿网络的设计 .313.4 优化设计 .343.4.1 主电路优化设计 .343.4.2 控制电路优化设计 .353.5 系统仿真及结果分析 .373.6 本章小结 .39第四章 结论 .404.1 总结 .404.2 展望 .40参考文献 .41致谢 .42引言1第一章 引言电网中的交流电经过整流为电气设备提供直流电是一种常用的变流方式。但随着电力电子设备的广泛使用，在电网中将产生大量的电力谐波，使的输入交流电流波形发生严重畸变，从而导致输入功率因数降低。由于电网阻抗的作用，电流畸变会影响电网电压，造成谐波污染。由于谐波的存在，电网中的元件会产生
11、附加损耗，导致用电设备效率降低；会影响电气设备的正常工作和寿命；还会导致继电保护和自动装置的误动作，使测量仪表不准确；降低电网的功率因数等多种危害。电力电子设备产生的谐波污染，已经变成阻碍电力电子技术发展的一大障碍，是电工科学界亟待解决的问题。因此，抑制谐波提高用电设备的功率因数已经成为一个十分重要的领域。为了有效解决交流电网的谐波污染问题，解决思路基本有两条：一是采用谐波补偿设备来补偿谐波；二是对电力电子设备本身进行改造，提高输入端的功率因数。对于新兴的电力电子设备，多采用后一种方式，即应用功率因数校正器，在整流器和负载之间直接接入 DC-DC 开关变换器，应用电流反馈技术，从而促使输入端电
12、流波形跟踪交流输入正弦电压波形，使输入端电流波形接近正弦波，降低输入端的谐波畸变率（THD）,提高功率因数。功率因数是衡量电源对电网供电质量的一个重要标准。1.1 电力谐波的危害由于大多数的负载设备的功率因数达不到 1，带来很大的电网质量问题，这类负载对电网造成的污染主要有无功电流和谐波电流引起，它们所产生的危害表现在以下几个方面：（1） 由于存在电网阻抗，无功电流导致电网损耗增加。（2） 使发电和输电设备的负担增加，导致电网实际传输有功功率能力的降低。（3） 谐波可能使电力系统产生局部并联或串联谐波，使谐波含量放大，可能烧毁电容器等用电设备。（4） 谐波可降低电能的生产、输送和利用效率，使电
13、器过热、绝缘老化，易产生噪声和振动，缩短电气设备的使用寿命。引言2（5） 谐波还可能引起自动装置的误动作和继电器的误保护，使电能计量出现错误。（6） 对电力系统外部，谐波会对电子设备和通信设备带来严重的电磁干扰。1.2 谐波治理的意义和必要性谐波造成的污染和危害已经引起世界各国的广泛关注，为了电力系统和电气设备的安全运行，必须治理谐波。治理谐波的意义还在于对电工科学技术自身发展的影响，因为谐波污染已严重阻碍了其正常发展，这就迫使科学研究人员寻求治理谐波的方法。谐波治理的意义，还可以上升到治理能源污染，维护绿色环境的角度来认识。对于现在倡导的“绿色” 电源， “绿色”照明等，无谐波就是标志之一。
14、国际电工委员会（IEC）制定了多项关于电磁兼容（谐波治理）方面的国际强制标准，来规范电气设备的谐波危害。所以对电力系统谐波污染的治理，已经成为电工科研人员亟待解决的问题。1.3 功率因数校正技术的发展概况从 PFC 技术的发展历程来看，人们进行功率因数校正最早采用的是由电容和电感构成的无源网络。按这种技术构成的电路体积较大，并不能有效地抑制输入电流的谐波污染。进而出现了有源功率因数校正技术，较早期的是采用晶闸管电路。70 年代以后，随着功率半导体器件的出现，开关变换技术迅速发展。到了 80 年代，现代有源功率因数校正(APFC)技术应运而生。由于变换器工作在高频开关状态，这种校正技术具有质量轻
15、、体积小、效率高、功率因数可接近 1 等优点。这一时期提出的一系列基本技术为有源功率校正技术的发展奠定了基础。当时主要的研究工作是连续导电模式（CCM）下的升压变换器，它的控制方法一般采用乘法器原理，这种控制模式虽然可以获得较大的功率转换能量，但是控制电路复杂，并不适用 200W 一下的功率容量场合。80 年代末期，人们提出了工作在不连续导电模式（DCM）下的功率因数校正技术，其输入电流自动跟踪输入电压，使得输入功率较高。这种变换器控制简单，在小功率场合得到广泛应用。90 年代以来，有源功率因数校正技术取得了长足的发展。人们相继提出了功率因数校正新的控制方法和软开关技术。经过几十年的发展历引言
16、3程，有源功率因数校正技术已具备高性能、低成本的性能，从而获得了广泛的应用。1.4 功率因数校正技术的分类功率因数校正技术（PFC）根据所用器件的不同可分为无源功率因数校正（Passive Power Factor Correction ，PPFC）技术和有源功率因数校正（Active Power Factor Correction ，APFC ）技术两大类：一是无源 PFC 技术，其通过在二极管整流电路中增加电感和电容等无源器件构成无源网络，抑制电路中的电流脉冲，来降低电流谐波含量，提高功率因数。这种方法的优点是：控制简单，可靠性高，高效，价格低。缺点是：无源器件的体积一般都较大，功率因数较
17、低，对电流谐波的抑制效果不够理想，进而不能够满足现行抑制谐波的基本要求。二是有源 PFC 技术， APFC 技术是采用有源开关或 AC/DC 变换技术，应用一定的控制方法使电网输入端电流波形接近正弦波，并使其与输入电压同相位。这种控制方法的电路虽然复杂，但总谐波畸变小，能得到较高的功率因数，并且速出电压也较稳定。从不同的角度出发，APFC 技术有不同的分类方式。按照控制模式来划分，APFC 可分为两种基本类型：一是变换器工作在连续导电模式下的乘法器型 PFC 技术，二是变换器工作在不连续导电模式下的电压跟踪器型 PFC 技术。乘法器型 PFC 技术根据输出电压的反馈信号，利用一个乘法器电路来控
18、制正弦电流信号，进而获得可调整的输出电压，其电感电流（输入电流）被采样并被控制，使其幅值能与输入电压同相位的正弦信号成正比，从而达到校正功率因数的目的。电压跟踪器型 PFC 技术有一个显著的优点，其输入电流波形能自然跟踪输入电压的波形；它的缺点是输入电流波形为脉动三角波，所以要在前端安装一个小容量滤波电容来滤除高频纹波，而且较高的开关峰值电流会产生较大的开关关断损耗。按照电路结构来划分，APFC 技术可分为单级 PFC 电路和两级 PFC 电路。单级 PFC 电路具有功率因数校正、输出隔离、电压稳定的特性，并且结构简单，效率高。但控制方式较复杂，仅仅适用于单一集中式电源系统。相比较来说，引言4
19、两级 PFC 的校正效果更加理想。按照电网供电方式来划分，APFC 技术可分为单相 PFC 技术和三相 PFC 技术。按照开关模式来划分，APFC 技术可分为硬开关模式和软开关模式。软开关模式主要分为两类：零电流开关（Zero-Current-Switching , ZCS）PFC 技术和零电压开关（Zero-Voltage -Switching , ZVS）PFC 技术。除了以上几种 PFC 技术，还有磁放大 PFC 技术，三电平（ Three-Level）PFC 技术，不连续电容电压模式（DCVM）PFC 技术等。1.5 课题的目的意义随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子设备在电力系统
20、、工业、家庭中的应用日益广泛，相伴随的谐波所造成的污染也日益严重，这已经严重的阻碍了电力电子技术的发展。从交流电网通过整流供给直流是应用极为广泛的一种基本变流方法。众所周知，整流器电流滤波电路是一种非线性元件和储能元件的结合，所以，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，波形畸变严重。对这种畸变的电流进行傅里叶分析，除了含有基波，还有大量的高次谐波分量。这些高次谐波倒流入电网，会带来严重的谐波“污染”，对电网造成严重危害。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。它是在整流器和滤波电容之间增加一个 DC/DC 开
21、关变换器。主要思路如下：使输入电压为参考信号，让输入电流跟踪参考信号，使输入电流低频分量与输入电压近似接近于同频同相的波形，来提高功率因数，同时，起到抑制谐波的作用；并且采用电压反馈，使输出电压接近于直流电压的形式。近年来，高频开关电源在国民生产生活中的应用日益广泛，特别是现在大力提倡“绿色 ”电源的应用，要求设备对电网无污染，主要包括谐波含量多少，功率因数高低，波形畸变大小。解决这个难题的有效方法就是采用功率因数校正技术（PFC）技术。所以，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。引言51.6 本论文涉及的主要内容和主要技术指标本文在对国内外有源功率因数校正技术分析、研究的
22、基础上，应用理论分析，电路设计和仿真实践的方法对 Boost 型有源功率因数校正系统进行了深入的研究。1.6.1 主要研究内容（1）概述功率因数校正技术的发展现状以及分类，本课题的研究目的和意义。（2）论述有源功率因数校正基本原理，并对几种应用较为广泛的主功率拓扑结构进行分析和比较，指出了各自的优缺点；还分别介绍了几种改进型功率因数校正主电路拓扑，分析了改进后电路的特点。（3）在前人研究设计功率因数校正技术的基础上，通过理论分析比较确定本文研究的对象：平均电流模式控制的 Boost 型功率因数校正技术。（4）通过前面的分析与比较，采用 UC3854 平均电流型控制芯片，设计了一种带中心抽头电感
23、的 Boost 功率因数校正器，其容量为 500W，并详细设计了校正系统的主电路和控制电路，同时，绘制出系统的整体电路结构图。（5）对 Boost 型 PFC 系统使用电力电子电路仿真软件进行仿真，并给出仿真结果。并对所做出的仿真结果进行分析。（6）对传统的功率因数校正电路进行优化设计，使优化后的校正器功率因数达到设计指标的要求。1.6.2 设计指标主电路采用单相 Boost 升压电路，其技术指标如下：（1） 输入交流电压 ：80 270V （2） 输入频率 f：50Hz（3） 输出直流电压 ：400V（4） 输出功率：500W（5） 开关频率 f：40kHz（6） 功率因数 PF 0.99（7） 输入电流的总谐波畸变率（THD）控制在 4%或以下
