西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文升壓型超申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：電路與系統(tǒng)指導(dǎo)教師：王松林20081201摘要近年來，開關(guān)電源因其高效率和低成本而在各個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，由于傳統(tǒng)的開關(guān)電源功率因數(shù)較低，造成輸入電流畸變嚴(yán)重，諧波分量很高，對(duì)電網(wǎng)造成了嚴(yán)重的諧波污染，降低了電能的利用率。采用有源功率因數(shù)校正(術(shù)可以使設(shè)備的功率因數(shù)接近于1，既治理了電網(wǎng)的諧波污染，又提高了開關(guān)電源的整體效率，因此，有源功率因數(shù)校正技術(shù)對(duì)電子行業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。本文首先介紹了功率因數(shù)的概念，并闡述了有源功率因數(shù)校正的工作原理，然后在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一款升壓型有源功率因數(shù)校正控制器芯片。該控制器同時(shí)引入電壓和電流反饋，構(gòu)成一個(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng)，既可以使輸入電流跟隨輸入電壓變化，從而實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，提高了電能的利用率，又可以通過反饋控制使輸出電壓穩(wěn)定，從而使開關(guān)電源變換器的輸入實(shí)現(xiàn)預(yù)穩(wěn)。本文設(shè)計(jì)的有源功率因數(shù)校正控制芯片采用O610V 作于臨界導(dǎo)通模式，采用峰值電流?？刂疲哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小和功率因數(shù)高的特點(diǎn)。通過真結(jié)果表明，該芯片具有很好的功率因數(shù)校正功能，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到了預(yù)期制定的設(shè)計(jì)要求。關(guān)鍵詞： 有源功率因數(shù)校正諧波污染峰值電流模as a a iS in to a to a in y be to ，of of a of is in iS in on a is in O a be by O as to he in is 6I0V on by O it of he FC CD 創(chuàng)新性)聲明秉承學(xué)校嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶W(xué)風(fēng)和優(yōu)良的科學(xué)道德，本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝中所羅列的內(nèi)容以外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果：也不包含為獲得西安電子科技大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表示了謝意。申請(qǐng)學(xué)位論文與資料若有不實(shí)之處，本人承擔(dān)一切的法律責(zé)任。本人簽名：西安電子科技大學(xué)關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解西安電子科技大學(xué)有關(guān)保留和使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：研究生在校攻讀學(xué)位期間論文工作的知識(shí)產(chǎn)權(quán)單位屬西安電子科技大學(xué)。學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許查閱和借閱論文；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以允許采用影印、縮印或其它復(fù)制手段保存論文。同時(shí)本人保證，畢業(yè)后結(jié)合學(xué)位論文研究課題再撰寫的文章一律署名單位為西安電子科技大學(xué)。本人簽名：導(dǎo)師簽名：第一章緒論第一章緒論功率因數(shù)校正和高次諧波抑制是近年來國(guó)際上在電力電子系統(tǒng)開發(fā)研究中非常熱的方向之一。它在環(huán)境保護(hù)、能源的充分利用和電力的安全使用方面做出了巨大的貢獻(xiàn)。在提倡建立節(jié)約型社會(huì)的今天，本論文所進(jìn)行的研究工作就更加具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。11 CCC流變換。值得關(guān)注的是在大部分用電設(shè)備中，電源直接來自交流電網(wǎng)，但幾乎所有的電路都需要使用直流進(jìn)行供電，因此上述達(dá)到交流轉(zhuǎn)直流的目的，人們?cè)O(shè)計(jì)了各種轉(zhuǎn)換方法，其中最為簡(jiǎn)單且常用的是橋式整流電路，它被廣泛應(yīng)用于各種開關(guān)電源中。220是電力電子技術(shù)及電子儀器中應(yīng)用極為廣泛的一種基本整流技術(shù)。傳統(tǒng)l】加電解電容濾波電路組成121，如圖11(a)所示。交流市電經(jīng)二極管整流和大電容濾波后，得到較為平滑的直流電壓，再由直流變換器進(jìn)行得到要求的輸出電壓。整流器電容濾波電路是一種非線性元件和儲(chǔ)能元件的組合。大容量電容用于減小輸出電壓紋波，并可在系統(tǒng)掉電時(shí)為負(fù)載提供必要的儲(chǔ)能。但由于輸入整流電壓僅在高于電容電壓的瞬間對(duì)電容充電，所以輸入電流呈尖峰脈沖狀，如圖11(b)所示。Ii 、 甘(a)b)輸入電壓和電流波形圖11單相橋式整流輸入電壓和電流波形對(duì)這種脈沖狀的電流進(jìn)行傅立葉分解，可得到如下表達(dá)式：i=32 升壓型為基波分量，3、厶分別為三次和五次諧波分量。由于輸入電流是一個(gè)奇諧函數(shù)，所以表達(dá)式中只含有奇數(shù)次項(xiàng)的諧波。由以上分析可知，輸入電流中除含有基波外，還含有大量的諧波分量。由于只有基波電流能夠產(chǎn)生有功功率，高次諧波使視在功率增加，所以外，大量諧波分量涌入電網(wǎng)，會(huì)使電力系統(tǒng)的電流波形畸變，造成電網(wǎng)的諧波“污染。即除了正常的工頻基波外，還包含有各種高次諧波【3】，這些產(chǎn)生高次諧波電流的電力負(fù)荷稱為高次諧波源。電流畸變對(duì)電力系統(tǒng)和電力設(shè)備造成的危害主要有以下幾點(diǎn)：(1)使電力電容器以及與之相串聯(lián)的電抗器過電流、過熱、發(fā)出異常的聲響，甚至于損壞。(2)使變壓器和電機(jī)產(chǎn)生附加損耗、局部過熱、產(chǎn)生附加力矩，進(jìn)而造成振動(dòng)、發(fā)出異常聲響。(3)高次諧波幅值過大會(huì)引起繼電器、控制電器和計(jì)算機(jī)誤動(dòng)作。(4)使射線儀器、示波器和電視機(jī)的圖像變壞。(5)輸電線中的高次諧波電流則會(huì)干擾與其鄰近的通信，使電磁兼容性問題變得更加突出。(6)高次諧波還會(huì)引起計(jì)量?jī)x表計(jì)量誤差，造成電費(fèi)收費(fèi)不合理。因?yàn)楦叽沃C波源的用戶從電網(wǎng)中吸收的功率是基波，而向電網(wǎng)送出的卻是含有高次諧波的畸變功率，迫使正常負(fù)荷的用戶從電網(wǎng)中吸收這些畸變功率，增加用電損耗，危害用電設(shè)備，還要多付電費(fèi)，而高次諧波源用戶反而少付電費(fèi)。(7)在三相四線制電路中，三次諧波在中線中的電流同相位，導(dǎo)致合成中線電流很大，有可能超過相線電流，而中線又無保護(hù)裝置，使中線因過電流而導(dǎo)致過熱，損壞電氣設(shè)備，甚至引起火災(zāi)。這些都嚴(yán)重影響了電能質(zhì)量、輸電效率、設(shè)備的安全運(yùn)行與正常使用。隨著電力電子裝置的應(yīng)用日益廣泛，諧波污染問題引起了越來越廣泛的關(guān)注。12諧波治理的意義與國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀近年來開關(guān)電源因效率高、成本低，在各個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。但是大量電力電子裝置的應(yīng)用給電力系統(tǒng)注入了越來越多的諧波，致使電網(wǎng)中的諧波污染日益嚴(yán)重，使得電能的生產(chǎn)、傳輸和利用的效率降低，產(chǎn)生嚴(yán)重的電磁干擾，影響到電網(wǎng)供電質(zhì)量和用戶使用的安全性。電力電子裝置所產(chǎn)生的諧波污染已成為阻礙電力電子技術(shù)發(fā)展的重大障礙，是電工科學(xué)技術(shù)界必須解決的問題。功率因數(shù)校正技術(shù)【4低諧波干擾的有效方法第一章緒論 3之一。它可以在不增加資源損耗的前提下，抑制諧波對(duì)電網(wǎng)的污染，使交流電的能量得到更有效的利用，從而使得供電質(zhì)量大大提高，減少諧波“污染”。最早使用的校正方法是無源功率因數(shù)校正技術(shù)。這種方法僅僅采用電容電感進(jìn)行濾波，電路簡(jiǎn)單、成本低、是體積大、重量重、功率因數(shù)不高。80年代是現(xiàn)代有源功率因數(shù)校正技術(shù)發(fā)展的初級(jí)階段。它是在負(fù)載的整流電路與輸出電容之間增加一級(jí)功率變換電路，將輸入電流校正成與輸入電壓同相位的正弦波，使功率因數(shù)提高到近似為1，而且具有穩(wěn)定的直流輸出電壓。1986年美國(guó)公布功率因數(shù)等于1的電源的專利，這是最早的較完整的升壓式期間的研究工作主要是基于繞連續(xù)導(dǎo)電模式或不連續(xù)導(dǎo)電模式的理論研究。但是由于輸入電流紋波大，一般不能應(yīng)用于較大的功率器件中。90年代以來，有源功率因數(shù)校正技術(shù)取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。自1992年起，門設(shè)立了單相功率因數(shù)校正技術(shù)專題，這被看作是單相有源功率因數(shù)校正技術(shù)發(fā)展的里程碑。從此不斷有新穎的功率因數(shù)校正原理、拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及控制方法出現(xiàn)，有源這個(gè)時(shí)期，一些國(guó)家和世界性的學(xué)術(shù)組織也分別頒布和實(shí)施了一些限制輸入電流諧波的標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步促進(jìn)了功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展。近年來，功率因數(shù)校正技術(shù)的研究熱點(diǎn)集中在：新拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的提出，把開關(guān)技術(shù)和開關(guān)電容功率網(wǎng)絡(luò)等)應(yīng)用于控制方法的提出以及單級(jí)種不同功率因數(shù)校正控制芯片在市場(chǎng)上紛紛出現(xiàn)：T、著半導(dǎo)體和電源技術(shù)的發(fā)展，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、功率因數(shù)高、輸出紋波小且具有高次諧波抑制的有源功率因數(shù)校正電路將成為功率因數(shù)校正技術(shù)的研究發(fā)展方向。進(jìn)入二十一世紀(jì)，別在我國(guó)，對(duì)于這方面的要求和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范還不健全，選擇此課題研究的目的和意義具有如下幾點(diǎn)：(1)開關(guān)電源功率因數(shù)校正技術(shù)作為電源的一門新興技術(shù)，它的作用和重要性已經(jīng)得到廣泛的認(rèn)可，如何提高功率因數(shù)己成為當(dāng)今電力電子界的研究熱點(diǎn)。(2)提高功率因數(shù)可以減少輸入電流的諧波成分，從而降低對(duì)其它設(shè)備的干擾。(3)提高功率因數(shù)能節(jié)省能源，提高電能質(zhì)量，保證電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定地運(yùn)行。(4)針對(duì)諧波污染，國(guó)際己經(jīng)制定了各種相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，以限制諧波的危害，凈化電磁環(huán)境，如399、4 升壓型中標(biāo)準(zhǔn)自1994年起在歐盟國(guó)家全面實(shí)施，所有不符合此標(biāo)準(zhǔn)的用電裝置不準(zhǔn)在歐洲銷售。(5)在用電設(shè)備中采用高效率、降低電源整機(jī)成本、提高開關(guān)電源的可靠性，對(duì)于提高產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力具有十分重要的意義。13論文的內(nèi)容安排論文結(jié)合當(dāng)今功率因數(shù)校正技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，詳細(xì)介紹了有源功率因數(shù)校正(基本原理和控制方法，并基于060V 計(jì)了一款升壓型有源功率因數(shù)校正控制器文共分為五章。第一章是緒論，主要介紹論文的背景、國(guó)內(nèi)外的發(fā)展以及論文的章節(jié)安排；第二章主要介紹了功率因數(shù)校重介紹了升壓型三章主要介紹了括系統(tǒng)指標(biāo)、架構(gòu)圖以及工藝的選擇；第四章詳細(xì)介紹芯片給出了仿真波形和仿真數(shù)據(jù)；第五章是電路典型應(yīng)用及整體功能仿真驗(yàn)證。第二章功率岡數(shù)校正的基本原理第二章功率因數(shù)校正的基本原理在開關(guān)電源中引入功率因數(shù)校正技術(shù)，一方面可以消除由于整流濾波電路產(chǎn)生的諧波電流，另一方面可以提高功率因數(shù)，這是開關(guān)電源的一大發(fā)展趨勢(shì)。功率因數(shù)校正可分為無源功率因數(shù)校正和有源功率因數(shù)校正，在新型開關(guān)電源中一般采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)，它是抑制諧波電流、提高功率因數(shù)的行之有效的方法。本章介紹功率因數(shù)校正的原理和實(shí)現(xiàn)方法。211功率因數(shù)的定義21功率因數(shù)的基本概念由于受到電抗的作用，發(fā)電機(jī)發(fā)出的交流電流往往滯后于交流電壓一定的相位，就是說發(fā)電機(jī)發(fā)出的電能只有一部分被利用，而相當(dāng)一部分的電能以磁場(chǎng)能的形式在發(fā)電機(jī)與用電設(shè)備之間往返變化而不能被釋放，這就是我們所說的“功率因數(shù)。功率因數(shù)(的是交流輸入信號(hào)的功率(P)與視在功率(S)的比值51，即功率因數(shù)：PF：21)S 、 在線性電路中，阻抗Z=R+中為電抗。無論是感抗或者容抗，均會(huì)使正弦電壓和電流產(chǎn)生相位差，但電壓和電流均為正弦波。所以在線性電路中，功率因數(shù)描述了負(fù)載的電抗特性，其定義為PF：iP：c。22)s 。 。其中，矽是正弦電流波形相對(duì)于電壓波形的相位差。只有當(dāng)負(fù)載呈電阻性時(shí)，電壓與電流波形相位相同，。在非線性電路中，當(dāng)電源電壓是正弦波時(shí)，輸入電流波形發(fā)生正弦畸變，導(dǎo)致功率因數(shù)很低，相移功率因數(shù)不能正確反映這種關(guān)系，因?yàn)榉蔷€性負(fù)載的功率因數(shù)與電流波形的失真情況緊密相關(guān)。因此，功率因數(shù)定義為 P：了V,1,c。3)S j。 i 1 7式(23)中，確表示輸入電壓基波有效值；表示交流輸入電流的有效值，I。=，I：，次諧波、6 升壓型=I以J是交流輸入市電的基波電流與基波電壓的相位差緲，另一個(gè)是交流輸入市電電流的波形畸變因數(shù)丫。而傳統(tǒng)的功率因數(shù)概念是在電阻性線性負(fù)載、并假定輸入電流無諧波電流(即11=交流輸入市電電流的波形畸變因數(shù)為1(Y=1)的條件下得到的，這樣交流輸入市電的示設(shè)備的無功功率大，供電設(shè)備的利用率低，供電設(shè)備的導(dǎo)線、變壓器繞組損耗大。電流波形畸變因數(shù)丫值低，則表示輸入電流的諧波分量大而基波電流的幅度小，將造成輸入電流的波形畸變，對(duì)電網(wǎng)造成污染，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成用電設(shè)備的損壞。相移因數(shù)無功功率在供電線路上傳送，降低了供電線路的使用效率。212功率因數(shù)(總諧波失真(關(guān)系由以上分析可以看出降低高次諧波分量就可以達(dá)到提高功率因數(shù)的目的，它們之間的關(guān)系簡(jiǎn)單推導(dǎo)如下。總諧波失真【41(指用信號(hào)源輸入時(shí)，輸出信號(hào)比輸入信號(hào)多出的額外諧波成分，它的定義式為：冊(cè)=一艫扣艫蓐產(chǎn)寺雷2南因此功率因數(shù)(總諧波失真(關(guān)系為：阿：丟c。1+(=亍 緲=7 緲(225)(26)(27)由以上討論可以看出，功率因數(shù)和交流輸入市電電流的諧波成分有關(guān)，那么一墮厶辱T=第二章功率因數(shù)校正的基本原理 7利用一f一1(28)V 7當(dāng)交流輸入市電的電壓、電流同頻同相時(shí)，有，則：1PF=1蘭彳 (29)l+(對(duì)純正弦電壓、電流而言，由于總諧波成分為零，所以波形畸變因數(shù)丫為1，并且正弦電壓、電流之間的相位差為零，則電源輸入側(cè)的功率因數(shù)就為1。如果正弦電壓、電流之間的相位差不為零，則電路的功率因數(shù)就為矽=0且0時(shí)，利用式(29)就可以計(jì)算出對(duì)應(yīng)的95。所以控制交流輸入電流的諧波電流有助于改善電路的功率因數(shù)和降低對(duì)電網(wǎng)的諧波污染。目前，通常采用過校正后的開關(guān)電源電路的9、當(dāng)?shù)V=0時(shí)，所示。表21艫=0時(shí)，已知5812 09903 0995 099875 099955算值)() 140 14 10 5 3測(cè)值)() 10 7 427由此可以看出，如當(dāng)，功率因數(shù)可以控制在0999左右。22功率因數(shù)校正的實(shí)現(xiàn)方法221實(shí)施功率因數(shù)校正的意義在沒有功率因數(shù)校流輸入電壓經(jīng)整流后，直接加到濾波電容器的兩端。只有當(dāng)交流輸入電壓高于濾波電容兩端的電壓時(shí)，濾波電容才開始被充電，因此，輸入電流波形為寬度很窄的脈沖。這種電流不僅嚴(yán)重滯后電源電壓，而且諧波分量很大，輸入總諧波失真可達(dá)1000o130，功率因數(shù)通常只有06。功率因數(shù)較低的開關(guān)電源存在許多問題【4】，比如：使電網(wǎng)波形畸變，線路損耗增大；降低供電系統(tǒng)的功率因數(shù)，增大系統(tǒng)的供電量；降低用電設(shè)備的使用壽命；干擾儀器、儀表；使計(jì)算機(jī)無法工作等。為了防治電力系統(tǒng)諧波的危害，許多國(guó)家制訂了諧波管理標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)電器設(shè)備和其它非線性負(fù)載向電網(wǎng)注入電流諧波升壓型1992年起國(guó)際上開始以立法的形式限制高次諧波，我國(guó)國(guó)家技術(shù)監(jiān)督局在1993年頒布了國(guó)家標(biāo)準(zhǔn) 1454993電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波。國(guó)際電工委員會(huì)于1998年對(duì)諧波標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修改，另外還制定了2標(biāo)準(zhǔn)。有關(guān)規(guī)定主要有以下幾個(gè)作用。(1)防干擾，核心是限制電網(wǎng)的諧波電流成分，如歐洲制定的標(biāo)準(zhǔn)，一部分條文對(duì)特殊輸入電流波形的用電設(shè)備的諧波電流提出了嚴(yán)格的限制，同時(shí)還規(guī)定了不符合此標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品不準(zhǔn)進(jìn)入歐洲市場(chǎng)。(2)減小輸入電流的諧波成分，從而降低對(duì)其它用電設(shè)備的干擾。(3)提高電網(wǎng)設(shè)備的利用率。(4)提高電網(wǎng)設(shè)備的安全性。電網(wǎng)功率因數(shù)的提高，減小了高頻諧波電流成分，從而使三相四線制供電系統(tǒng)的中線電位正確，減小了中線電流，提高了供電系統(tǒng)的可靠性。在同樣輸入條件下，增大輸出功率有兩種辦法：一是提高電源效率，二是提高功率因數(shù)。提高電源效率要受到電源電路水平的限制，難度較大，而且效果也不明顯，只有提高功率因數(shù)值最有效，表22給出了有關(guān)數(shù)據(jù)的比較。表22功率因數(shù)校正與電路有關(guān)參數(shù)的比較參數(shù) 一般電路 提高效率 提高140 1440 1440電源效率) 75 90 75總效率 75 90 73功率因數(shù)(065 O65 095最大輸出功率(w) 702 842 995正是由于有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制規(guī)定，以及功率因數(shù)校正控制集成電路生產(chǎn)廠家的不懈努力，功率因數(shù)校正技術(shù)才得到了廣泛的應(yīng)用。222功率因數(shù)校正的實(shí)現(xiàn)方法功率因數(shù)校正的基本原理，就是通過校正電路，使交流輸入電流波形完全跟隨交流輸入電壓波形，也就是使輸入電流和輸入電壓同相位，即通過輸入電流與輸入電壓同頻同相來達(dá)到提高功率因數(shù)的目的【6】。由功率因數(shù)的定義PF=提高功率因數(shù)一般有兩個(gè)途徑：(1)使妒=0，也就是輸入電壓、輸入電流同相位，即相移因數(shù)，所以。(2)使入電流正弦化，即舢=1，所以合以上方法，就可以實(shí)現(xiàn)PF=1。第二章功率岡數(shù)校正的基本原理 9提高是使輸入電壓和輸入電流同相位，且輸入電流正弦化。利用功率因數(shù)校正技術(shù)可以使交流輸入電流波形完全跟蹤交流輸入電壓波形，使輸入電流波形呈純正弦波，并且和輸入電壓同相位，此時(shí)整流器的負(fù)載可以等效為純電阻。常用的功率因數(shù)校正電路有多種，按照軟開關(guān)【7】【8l(性，可以分為零電流開關(guān)功率因數(shù)校正技術(shù)和零電壓開關(guān)功率因數(shù)校正技術(shù)；按照供電方式可分為單相功率因數(shù)校正技術(shù)和三相功率因數(shù)校正技術(shù)；按照電路結(jié)構(gòu)可分為無源功率因數(shù)校正技術(shù)(有源功率因數(shù)校正技術(shù)(類。典型的無源功率因數(shù)校正(路如圖21所示，它利用電容、二極管網(wǎng)絡(luò)組成填谷式(】。當(dāng)輸入電壓高于個(gè)電容處于串聯(lián)充電狀態(tài)；當(dāng)輸入電壓低于電容2兩端的電壓時(shí)，兩個(gè)電容處于并聯(lián)放電狀態(tài)。由于電容和二極管組成的充放電網(wǎng)絡(luò)增大了整流二極管的導(dǎo)通角，圖21典型無源功率因數(shù)校正電路可以改善輸入電流的波形，從而提高功率因數(shù)。在對(duì)電網(wǎng)實(shí)施補(bǔ)償?shù)谋粍?dòng)方法，雖然這種方法既可以補(bǔ)償諧波，又可以補(bǔ)償無功功率，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，但由于無源濾波器是通過在電力系統(tǒng)中為諧波提供一個(gè)并聯(lián)低阻抗通路以起到濾波作用的，其濾波特性由系統(tǒng)和濾波器的阻抗之比決定，因此存在以下缺點(diǎn)：(1)濾波特性受電網(wǎng)系統(tǒng)阻抗和運(yùn)行狀態(tài)影響較大，容易和系統(tǒng)發(fā)生并聯(lián)諧振，導(dǎo)致諧波放大，使濾波器過載甚至燒壞：(2)只能消除特定的幾次諧波，對(duì)某些次數(shù)諧波可能起放大作用，可能導(dǎo)致濾波器過載；(3)濾波補(bǔ)償要求和調(diào)壓要求有時(shí)難以協(xié)調(diào)；(4)這些而濾波器的有效材料消耗多，體積大；(5)難以得到高功率因數(shù)(一般只能提高到09左右)。有源功率因數(shù)校正(路，自上世紀(jì)90年代以來就得到了迅速推廣。這是對(duì)電力電子設(shè)備進(jìn)行自行改進(jìn)的主動(dòng)方法，是對(duì)流電路內(nèi)部進(jìn)行功率因數(shù)校正，從而使電路盡 圖22壓型且輸入電壓和電流同相位，從電源的輸入端看，整個(gè)電路是純阻性的，實(shí)現(xiàn)了高功率因數(shù)低諧波的11。有源功率因數(shù)校正技術(shù)工作原理如圖22所示，在整流器和負(fù)載之問接入一個(gè)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，可以使輸入電流波形接近正弦，使功率因數(shù)提高到099以上。由于這個(gè)方案應(yīng)用了有源器件，故稱為有源功率因數(shù)校正(簡(jiǎn)稱具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)平滑的交流輸入電流波形，較小的高頻諧波電流成分；(2)交流電流過零點(diǎn)平滑，無較大的間斷；(3)啟動(dòng)時(shí)輸出直流電壓的超調(diào)量小，可以控制在5,范圍內(nèi)，啟動(dòng)速度快；(4)良好的直流輸出穩(wěn)定性，在各種條件下都不會(huì)產(chǎn)生自激；(5)空載時(shí)直流輸出電壓的上升量不超過額定值的3；(6)高功率因數(shù)，9以上；(7)較低的總諧波失真，(8)較寬的輸入電壓范圍，可達(dá)90270V；(9)磁性元件體積小。路復(fù)雜，成本高，于有源功率因數(shù)校正(術(shù)具有補(bǔ)償特性好的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用中占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，而且電路形式多樣，控制集成電路品種齊全。本文主要針對(duì)有源功率因數(shù)校正技術(shù)(行介紹。23 1 壓式(升降壓式(12l、反激式(升壓式(【l 3J【1 4。降壓式結(jié)構(gòu)因功率開關(guān)管直接和整流橋的輸出相連，使得開關(guān)管的噪聲直接影響電網(wǎng)，濾波困難，功率開關(guān)管上的電壓應(yīng)力大，且控制功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電平是浮動(dòng)的，驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜，所以很少被采用。升降壓式結(jié)構(gòu)須用兩個(gè)功率開關(guān)管，且有一個(gè)功率開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)浮動(dòng)，電路復(fù)雜，也較少采用。反激式結(jié)構(gòu)輸出與輸入隔離，輸出電壓可以任意選擇，采用簡(jiǎn)單電壓型控制，由于反激式電路結(jié)構(gòu)自身的限制(開關(guān)管所要求承受的電壓高，電感峰值電流高等)，一般適用于1505】【16】，方便使用電流進(jìn)行控制，可以在一定的電壓輸入范圍內(nèi)保持第二章功率岡數(shù)校正的基本原理較高的功率因數(shù)，因而常作為優(yōu)選的一種拓?fù)?，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖23所示。交流市電后送至升壓轉(zhuǎn)換器。升壓轉(zhuǎn)換器由升壓電感L、功率開關(guān)管M、續(xù)流二極管D、輸出電容過控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，使交流輸入電流跟隨輸入電壓，成為近似同頻同相的正弦波，從而實(shí)現(xiàn)近似等于1的功率因數(shù)【17】。圖23升壓型1)電路有輸入電感，可減少對(duì)輸入濾波器的要求，并可以防止電網(wǎng)中的浪涌對(duì)主電路瞬態(tài)沖擊。(2)如果工作在連續(xù)電流模式時(shí)，電路對(duì)電網(wǎng)的電磁干擾(，3)輸出電壓大于輸入電壓峰值，對(duì)電網(wǎng)電壓低(國(guó)家和地區(qū)特別適合。例如，輸入90132轉(zhuǎn)化為輸出直流200V；若輸入為90254流輸出可為400V。(4)高頻開關(guān)器件的電壓不超過輸出電壓，且控制開關(guān)管的源極(或雙極晶體管的發(fā)射極)電位始終為零(接于地電位)，因此對(duì)功率管的控制比較容易。(5)正是由于升壓式電路結(jié)構(gòu)具有上述優(yōu)點(diǎn)，因而在32 據(jù)電感電流是否連續(xù)，可分為不連續(xù)導(dǎo)通模式(臨界導(dǎo)通模式(連續(xù)導(dǎo)通模式(19】。根據(jù)是否直接選取瞬態(tài)電感電流作為反饋量和被控制量，直接電流控制方法中，按照檢測(cè)電流不同，又分為峰值電流控制、滯環(huán)電流控制和平均電流控制三種控制方法。(1)入輸出的電流紋波小，濾波容易，2 升壓型要缺點(diǎn)有：在硬開關(guān)狀態(tài)下，開關(guān)損耗較高，尤其是在續(xù)流二級(jí)管有較大反向恢復(fù)電流的情況下。而采用軟開關(guān)技術(shù)又會(huì)增加電路的復(fù)雜度、制作成本也會(huì)提高。采用該模式的(a)所示。(2)關(guān)管可以實(shí)現(xiàn)零電流導(dǎo)通，降低了開關(guān)損耗，避免了快恢復(fù)二極管的反向恢復(fù)電流過大，既降低了損耗又減小了開關(guān)管的電流應(yīng)力。主要缺點(diǎn)有：器件的電流應(yīng)力較大，導(dǎo)通損耗較高，限制了其在較大功率變換器中的應(yīng)用。采用該模式的(b)所示。(3)臨界導(dǎo)通模式的優(yōu)點(diǎn)有：由于功率開關(guān)管在電感電流為零時(shí)導(dǎo)通，大大降低了導(dǎo)通損耗和續(xù)流二極管反向恢復(fù)時(shí)的損耗；臨界導(dǎo)通模式將電感電流保持在連續(xù)和非連續(xù)的邊界；由于每個(gè)開關(guān)周期都在電感電流放電至零時(shí)結(jié)束，只需對(duì)電壓環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償。缺點(diǎn)有：輸入電流和輸出電壓的紋波與連續(xù)導(dǎo)通模式相比都較大，由于頻率可變也存在潛在的是與非連續(xù)導(dǎo)通模式相比，臨界導(dǎo)通模式的輸入電流和輸出電壓紋波都比較小、功率因數(shù)也比較高，但電路結(jié)構(gòu)要復(fù)雜一些、控制相對(duì)復(fù)雜、成本較高?？梢哉f，臨界導(dǎo)通模式是連續(xù)導(dǎo)通模式和非連續(xù)導(dǎo)通模式的有益折衷。采用該模式的(c)所示。(a)連續(xù)導(dǎo)通 (b)不連續(xù)導(dǎo)通 (c)臨界導(dǎo)通圖24電感電流波形開關(guān)電源電路根據(jù)不同的反饋取樣控制信號(hào)，可以分為電壓控制模式和電流控制模式兩種。電壓模式是將輸出電壓采樣分壓后反饋到出而控制輸出電壓。電壓控制模式是一個(gè)單閉環(huán)電壓控制系統(tǒng)，即只有一個(gè)反饋環(huán)路，系統(tǒng)響應(yīng)慢，很難達(dá)到較高的線性調(diào)整率精度。電流模式除了具有電壓模式的輸出電壓反饋控制以外，還具有一個(gè)電流反饋控制，將兩個(gè)控制信號(hào)進(jìn)行比較，輸出的流模式是電壓、電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，一個(gè)是檢測(cè)輸出電壓的電壓外環(huán)，一個(gè)是檢測(cè)功率開關(guān)管電流或電感電流、具有周期限流功能的電流內(nèi)環(huán)。與電壓模式控制方法相比，電流模式控制方法具有較好的電源電壓和負(fù)載調(diào)整特性、響應(yīng)速度更快，第二章功率因數(shù)校正的基本原理 13因此在連續(xù)導(dǎo)通模式中電流模式控制方法又主要分為三種控制方式：滯環(huán)電流控制、平均電流控制、峰值電流控制。(1)滯環(huán)電流控制是檢測(cè)電感電流達(dá)到一定值時(shí)，開關(guān)管開始導(dǎo)通；電感電流下降到一定值時(shí)，開關(guān)管陡然截止。它的控制方式是利用工作頻率改變來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止。一般設(shè)計(jì)輸出濾波電路時(shí)，按最低工作頻率考慮。所以開關(guān)電源的體積小、重量輕、工作損耗小。(2)平均電流控制是開關(guān)電源和電子鎮(zhèn)流器對(duì)有源功率因數(shù)校正用得最多的一種方法。噪聲不敏感，電感電流峰值與平均值之間的誤差小，具有恒定的工作頻率，可以任意拓?fù)涓鞣N控制電路，輸入電壓可以調(diào)節(jié)。其缺點(diǎn)是控制電路比較復(fù)雜，需要增加電流誤差放大器，而且外圍器件的參數(shù)設(shè)計(jì)和選擇也較為復(fù)雜。(3)峰值電流控制法是檢測(cè)峰值電流，采用恒定的開關(guān)電源頻率，只有穩(wěn)定的工作頻率才能有效地、快速地測(cè)出峰值電流，并將這一電流均化來控制開關(guān)管，對(duì)輸入電流與輸入電壓保持同步，從而提高功率因數(shù)。由于輸入電流被均化，在電路中需要對(duì)輸入電流波形進(jìn)行斜坡補(bǔ)償。在臨界導(dǎo)通模式下，】。它的電流上限是一個(gè)正弦基準(zhǔn)電流，由誤差放大信號(hào)與輸入電壓經(jīng)全橋整流后的分壓信號(hào)相乘后獲得，下限為零。其基本結(jié)構(gòu)如圖25所示。圖25采用峰值電流控制的流輸入電壓2分壓取樣后作為乘法器的一個(gè)輸入信號(hào)，而輸出電壓穩(wěn)定狀態(tài)下，誤差放大器的輸出電壓在半個(gè)工頻周期內(nèi)將保持14 升壓型法器的輸出信號(hào)將跟隨整流后的正弦電壓法器的輸出信號(hào)作為基準(zhǔn)信號(hào)輸入到電流比較器的反相端，而開關(guān)管電感的電流值為峰值，即電流比較器同相端的信號(hào)幅值達(dá)到反相端的信號(hào)幅值時(shí)，通過斷功率開關(guān)管，電感電流開始下降。當(dāng)通過啟功率開關(guān)管，電感電流開始上升。通過這樣反復(fù)的開關(guān)過程，就可以使輸入電流波形與輸入電壓的波形基本一致，達(dá)到功率因數(shù)校正目的。與平均電流控制相比，峰值電流控制技術(shù)電路比較簡(jiǎn)單、所需外圍器件少、成本低。在300用界模式(峰值電流控制技術(shù)的結(jié)合，也是當(dāng)前主流產(chǎn)品的核心技術(shù)。24升壓型峰值電流模穩(wěn)態(tài)分析交流電網(wǎng)電壓一般采用50全橋整流后得到100頻率比功率開關(guān)管的開關(guān)頻率(幾十個(gè)得多，所以在功率開關(guān)管的一個(gè)或幾個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，可以近似認(rèn)為輸入電壓是不變的，因此本文設(shè)計(jì)的穩(wěn)態(tài)分析都按照直流穩(wěn)態(tài)分析進(jìn)行【201。241單個(gè)開關(guān)周期內(nèi)的基本特性升壓型電路結(jié)構(gòu)如圖23所示，電路中電感電壓和電感電流波形如圖26所示。設(shè)某一時(shí)刻整流后的電網(wǎng)輸入電壓為為功率開關(guān)管的開關(guān)周期，率的導(dǎo)通與關(guān)斷由驅(qū)動(dòng)電路決定，為續(xù)流二極管，簡(jiǎn)化電路分析，這里假設(shè)所有元件均為理想元件。功率開關(guān)管26集電極電位降低，使得5V；當(dāng)V，5V，同時(shí)發(fā)靜態(tài)過壓保護(hù)；當(dāng)接于V，并且將過電壓引發(fā)的過電流傳遞到是過電流達(dá)到一定值(409A)時(shí)就會(huì)觸發(fā)動(dòng)態(tài)過壓保護(hù)。433仿真驗(yàn)證結(jié)果基于O69m 30V 誤差放大器電路采用5行仿真。圖41 1是誤差放大器的圖中曲線可以看出，當(dāng)65V；當(dāng)Vn,V，促使小乘法器的輸出電壓，實(shí)現(xiàn)“軟制動(dòng)”。在正常工作狀態(tài)下，V。443仿真驗(yàn)證結(jié)果圖415是乘法器的瞬態(tài)特性曲線。率為50整流分壓后的信號(hào)?？梢钥闯?，在法器的輸出電壓現(xiàn)了416是乘法器的直流特性曲線，即當(dāng)V、28V、30V、32V、35V、45V、50V、57V(高箝位)時(shí)，乘法器的輸出電壓1圖中曲線可以看出，法器工作在線性范圍內(nèi)，輸出電壓7大斜率為153，具有較大的線性范圍和較高的線性度。矗。-6腳一ado一一o0 5m 10m 15瞳 20415乘法器瞬態(tài)特性0 1 2 3 4 416乘法器直流特性45峰值電流比較器和零電流檢測(cè)器的設(shè)計(jì)零電流檢測(cè)器(主要功能是：由遲滯比較器實(shí)現(xiàn)零電流檢測(cè)。芯片引腳后與模塊內(nèi)部的參考電壓進(jìn)行比較，當(dāng)檢測(cè)到外部電感電流為零時(shí)，開關(guān)管導(dǎo)通，進(jìn)而對(duì)電感充電。峰值電流比較器(主要功能是：對(duì)外部電感電流進(jìn)行采樣，與乘法器的輸出信號(hào)相比較，當(dāng)檢測(cè)到外部電感電流達(dá)到峰值時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷。衛(wèi)嘶o8642864242 升壓型1輸入輸出信號(hào)輸入信號(hào)： 自基準(zhǔn)的電流偏置信號(hào)，為 自基準(zhǔn)的電流偏置信號(hào)，為波正弦信號(hào)，來自乘法器的輸出；測(cè)電感電流；外部電路的采樣信號(hào)；。輸出信號(hào)：電流檢測(cè)信號(hào)，輸出至值電流關(guān)斷信號(hào)，輸出至52電路設(shè)計(jì)(1)零電流檢測(cè)器圖417零電流檢測(cè)器電路7所示，該電路采用基本的遲滯比較器實(shí)現(xiàn)，正相端相端由三個(gè)三極管和一個(gè)片引腳信號(hào)高低電平分別為575V。當(dāng)放V。當(dāng)+08=24V，由此得V。當(dāng)放第四章3+08=24V。當(dāng)V，由此得V。結(jié)合整個(gè)芯片的功能進(jìn)行分析，當(dāng)外電路電感電流降到零時(shí)，V，級(jí)邏輯控制模塊(測(cè)到該上升沿信號(hào)后，輸出控制信號(hào)使外部開關(guān)管導(dǎo)通，對(duì)電感再次充電。為了避免產(chǎn)生誤動(dòng)作，引入了082)峰值電流比較器8峰值電流比較器電路8所示，引腳信號(hào)相端是乘法器輸出的半波正弦信號(hào)過比較器兩級(jí)放大，獲得的輸出信號(hào)經(jīng)邏輯模塊去控制外部開關(guān)管的通斷。極管為有相同尺寸的提高大比較器的共模輸入范圍。第一級(jí)輸出信號(hào)經(jīng)過共射極放大器后經(jīng)過一個(gè)反相器得到峰值電流關(guān)斷信號(hào)出至邏輯模塊去控制外部開關(guān)管的通斷，高電平有效。片正常工作時(shí)，同相端接乘法器的輸出來控制升壓電感峰值電流。由圖418可得各級(jí)增益。第一級(jí)的小信號(hào)增益為：4，=一矗44(。8。7) (4二級(jí)的小信號(hào)增益為：4，：一魚!：!魚絲!生!垡! (438)的小