有源功率因數(shù)校正技術(shù)的原理分析目錄TOC\o"1-3"\h\u28132有源功率因數(shù)校正技術(shù)的原理分析 172181.1APFC電路的基本原理 1255961.2整流電路的設(shè)計(jì) 3210431.2.1整流電路的分類 3158071.2.2作用原理 59511.2.3元件選擇 8221211.2.4相控整流電路 9300051.3功率因數(shù)校正系統(tǒng)的主電路拓?fù)涞姆诸?1115581.3.1升壓型（Boost）功率因數(shù)校正電路 12137821.3.2升降壓（Buck-Boost）功率因數(shù)校正電路 12166091.3.3Cuk型功率因數(shù)校正電路 13195971.3.4降壓型（Buck）型功率因數(shù)校正電路 14286861.4功率因數(shù)校正參數(shù)的設(shè)計(jì) 1528621.5雙閉環(huán)控制電路的設(shè)計(jì) 17238961.5.1PI調(diào)節(jié)器的介紹 1779181.6有源功率因數(shù)校正控制方法 1825231.6.1平均電流控制 18292371.6.2峰值電流控制 19218161.6.3滯環(huán)電流控制 20209041.6.4恒頻控制 20160961.6.5變頻控制 2158401.7驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 211.1APFC電路的基本原理APFC電路其實(shí)就是在整流控制電路和負(fù)載之間添加了一個(gè)DC/DC開關(guān)變換器,通過采用對(duì)輸出電壓和輸入端電流進(jìn)行反饋的技術(shù)，這樣就可以保證輸入端的電流波形能夠直接跟隨到輸入端的電壓的波形，因?yàn)槊總€(gè)輸入端電壓波形都是一個(gè)正弦波,所以這個(gè)信號(hào)會(huì)導(dǎo)致我們使得每個(gè)輸入端的電流和波形都比較接近于正弦波，這樣就能提高功率因數(shù)。因?yàn)樵诖穗娐分惺褂昧艘恍┖措娏﹄娮悠骷?，所以稱之為有源功率因數(shù)校正電路，原理圖如圖2.1所示。APFC電路的基本原理是，輸入的交流電經(jīng)過一個(gè)整流電壓控制電路后,對(duì)經(jīng)過整流控制得到的整流輸出電壓進(jìn)行了DC/DC的變換,經(jīng)過一定程度上的整流控制,從而可以使得輸入的電流波形同時(shí)會(huì)隨著輸入的電壓波形同時(shí)變化,使得輸入的電流波形能夠?qū)崿F(xiàn)波形正弦化,同時(shí)使得輸出的整流電壓也根據(jù)需要可以保證穩(wěn)定。APFC電路一般會(huì)有兩個(gè)反饋的控制環(huán)，內(nèi)環(huán)和外環(huán)。內(nèi)環(huán)本身就是輸入電流的循環(huán),作用是DC/DC變換器的輸入穩(wěn)壓電流和輸出電壓波形一致;同時(shí)外環(huán)本身就是一個(gè)輸出電壓的循環(huán),作用是外環(huán)可以直接使得DC/DC變換器產(chǎn)生穩(wěn)定輸出電壓REF_Ref28753\r[1]。圖2.1有源功率因數(shù)校正原理框圖有源功率因數(shù)校正（APFC）電路可以直接用來起到對(duì)功率因數(shù)進(jìn)行校正的這種效果，主要技術(shù)特點(diǎn)之一就是在整流器和輸出內(nèi)阻、電容之間安裝了一個(gè)相對(duì)有源式的功率因數(shù)控制器，不僅可以直接使得AC/DC功率變換器輸入電流的脈動(dòng)波形和輸入電壓的脈動(dòng)波形互相轉(zhuǎn)變而成為一個(gè)同頻率和同相的正弦波，還可以使功率因數(shù)增加到無限接近1，并且可以保證輸出電壓的穩(wěn)定。根據(jù)電路輸入電流的檢測(cè)方法和控制方式，APFC電路又可以分為電感電流連續(xù)（ContinueCurrentMode,CCM）和電感電流不連續(xù)（DiscontinueCurrentMode,DCM）兩類。APFC變換器電路從類型上分主要有升壓電路、降壓電路、升壓—降壓電路及回掃電路4種類別。其中升壓型的APFC電路最為常見，因?yàn)樗粌H可以實(shí)現(xiàn)在相同的輸出功率下比別的類型更加減小輸出電流，還能能減小預(yù)設(shè)濾波電容的額定容量及電容器件的體積。升壓型的APFC預(yù)調(diào)整器電路主要由電流內(nèi)環(huán)控制、電壓外環(huán)控制和一個(gè)乘法器組成。內(nèi)環(huán)控制和外環(huán)控制的原理和作用已在前邊介紹；乘法器的作用是為內(nèi)環(huán)的電流控制提供參考電流IEST，如圖2.1右下角所示，用來控制經(jīng)過變換器整流電流。乘法器的輸出IEST為，輸入的I1表2.1APFC參數(shù)說明表參數(shù)說明I輸入電流峰值的參考值，由電壓外環(huán)控制部分的電壓誤差放大器提供I經(jīng)過整流的輸入電流的參考值，取整流之后的電壓值變換器中的電流內(nèi)環(huán)雖然有著較高的控制速率，但起到?jīng)Q定性作用的電壓外環(huán)控制速率較低，因此整個(gè)的電路的控制速率受到電流內(nèi)環(huán)控制的限制。從控制方法方面看，電感電流斷續(xù)傳導(dǎo)模式和峰值電流控制方法適用于40~300W的小功率整流電路。而恒頻的平均電流控制連續(xù)傳導(dǎo)模式的APFC變換器使用于300W以上甚至更高功率的大容量的電路。1.2整流電路的設(shè)計(jì)整流電路(rectifyingcircuit）是把交流電轉(zhuǎn)換為直流電的一種電路。目前普遍應(yīng)用的整流電路主要由以下三部分組成：變壓器、整流電路和濾波器。變壓器的作用是將原本的電壓調(diào)整到合適的電壓水平，一般受到整流電路的電力電子器件的限制，還有一個(gè)作用是將電網(wǎng)與整流電路隔離開；整流電路是其中最重要的部分，由單相導(dǎo)電性的整流器件構(gòu)成，是通過控制逆變器開關(guān)管的通斷將交流電壓波形轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟妷翰ㄐ?，此時(shí)的電壓波形可以有鋸齒，但是正負(fù)將不在發(fā)生變化，但是其實(shí)輸出的電壓已經(jīng)不是完全符合正弦變化了，其中的噪聲是因?yàn)槟承└叽沃C波的影響，想要抑制或是消除諧波就需要用到濾波器。濾波器是位于主電路與負(fù)載之間的串并聯(lián)的電感和電容,其作用是通過諧波效應(yīng)濾除脈動(dòng)直流電壓中的高頻交流波形。1.2.1整流電路的分類1.按照電路的組成器件可以分為不可控整流電路、半控整流電路和全控整流電路三種不可控整流電路是由不可控整流二極管構(gòu)成，電路整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案確定后其可控整流所使用得到的直流電壓與一個(gè)交流電源額定電壓之間的比值始終保持固定不變。2）半控整流電路是由一個(gè)完全可自動(dòng)控制的整流元件和二極管共同工作組成，在這樣的整流電路中,負(fù)載的驅(qū)動(dòng)電源極性雖然不能改變,但是其平均值卻完全可以調(diào)節(jié)。3）在全控整流電路中，所有的全控整流器件和控制元件都必須保證是完全獨(dú)立可控的(SCR、GTR、GTO等)，其輸出直流電壓的平均值及極性可以通過直流控制器檢測(cè)控制元件的電壓引入和直流導(dǎo)通兩種情況而得到一個(gè)相應(yīng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)，在這種電路中，功率既可以由電源向負(fù)載傳送，也可以由負(fù)載反饋給電源，即所謂的有源逆變。2.按電路結(jié)構(gòu)可分為零式電路和橋式電路1）零式電路指的是帶有零點(diǎn)或中性點(diǎn)的電路，又稱半波電路。它的主要技術(shù)特點(diǎn)也就是所有的整流器的陰極(或者陽極)都可以連接，一直到一個(gè)新的公用電源連接點(diǎn),向直流電源負(fù)載設(shè)備提供交流電,負(fù)載的其他每一根線路都連接，一直到一個(gè)公用交流電源的零點(diǎn)。2）橋式電路實(shí)際上是由兩個(gè)半波橋式電路相互作用串聯(lián)組合而成,故又被人們稱為全波橋式電路。3.按電網(wǎng)交流輸入相數(shù)分為單相整流電路、三相整流電路和多相整流電路1）對(duì)于小功率整流器通常采用單相交流電供電；單相整流電路又可以細(xì)分為半波整流，全波整流，橋式整流及倍壓整流電路等。2）三相整流電路是交流側(cè)由三相電源供電，負(fù)載容量較大或要求直流電壓脈動(dòng)較小，容易濾波。三相可控整流電路有三相半波可控整流電路，三相半控橋式整流電路，三相全控橋式整流電路。因?yàn)槿嗾餮b置三相是平衡的，輸出的直流電壓和電流脈動(dòng)小，對(duì)電網(wǎng)影響小，且控制滯后時(shí)間短,采用三相全控橋式整流電路時(shí),輸出電壓交變分量的最低頻率是電網(wǎng)頻率的6倍,交流分量與直流分量之比也較小，因此濾波器的電感量比同容量的單相或三相半波電路小得多。另外,晶閘管的額定電壓值也較低。因此,這種電路適用于大功率變流裝置。3）多相高頻整流轉(zhuǎn)換電路隨著多相高頻整流轉(zhuǎn)換電路的應(yīng)用，功率得到進(jìn)一步的擴(kuò)大(其中例如用于軋鋼用的電動(dòng)機(jī),功率甚至可以擴(kuò)大到達(dá)數(shù)兆瓦),為了盡量考慮減輕對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的直接干擾,特別重要的一點(diǎn)是盡量考慮減輕多相高頻整流轉(zhuǎn)換電路的多相高次整流諧波對(duì)整個(gè)電網(wǎng)的直接干擾,可以優(yōu)先考慮采用十二相、十八相、二十四相,乃至三十六相的多相高頻整流轉(zhuǎn)換電路。采用多相穩(wěn)壓整流電路可以大幅改善電流功率因數(shù),提高電流脈動(dòng)頻率,使得直流變壓器的初級(jí)輸入電流波形更容易靠近于正弦波,從而明顯地減少諧波產(chǎn)生的不良影響。理論上,隨著這個(gè)相數(shù)的增加,可進(jìn)一步地大大削弱這個(gè)諧波。多相整流常用在大功率整流領(lǐng)域，最常用的有雙反星中性點(diǎn)帶平衡電抗器接法和三相橋式接法。4.按電流方向方向上可以是單向或者雙向,又或者可以將其劃分確認(rèn)為兩種工作方式:一種是單拍電路,另一種是雙拍電路。其中所有的低頻半波穩(wěn)壓整流電路都采用了單拍整流電路,而所有的高頻全波穩(wěn)壓整流電路都采用了雙拍整流電路。5.按控制方式可分為相控式電路和斬波器相控電路(斬波器)1）通過控制觸發(fā)脈沖的到來時(shí)間來控制開關(guān)管的開通和關(guān)斷，顯示在輸入電流電壓波形上是二者的相角，進(jìn)而來控制直流輸出電壓大小的方式稱為相位控制方式，簡(jiǎn)稱相控方式。2）斬波器控制即它是利用晶閘管和其它帶有自動(dòng)或關(guān)斷的斬波器件對(duì)施加在直流負(fù)載上的電壓進(jìn)行斬波控制,將一個(gè)直流電源的輸出電壓，時(shí)間不停地連續(xù)增加或不斷減少傳送到交流負(fù)載上,通過短路切斷、切開的電壓時(shí)間不斷變化而直接改變直流負(fù)載輸出電壓的一個(gè)平均值,亦因此可以被簡(jiǎn)稱直流直流電壓轉(zhuǎn)換器。它因其特點(diǎn)具有電機(jī)工作效率高、體積小、重量輕、造價(jià)低等重要特性,被廣泛地用于應(yīng)用在直流電機(jī)牽引下的電力變速箱和拖行中,例如大型城市風(fēng)力發(fā)電機(jī)、地鐵、蓄電池車等。斬波器通常大致可以再細(xì)分為三種降壓斬波器,升壓斬波器和復(fù)合斬波器。1.2.2作用原理電力傳輸網(wǎng)絡(luò)中所提供給電力用戶的都通常是高頻交流電，而各類型的無線電通信設(shè)備則通常需要用戶使用的是直流電。所謂的交流電整流,就是將一個(gè)大的交流電經(jīng)過轉(zhuǎn)化而成為一個(gè)小的直流電。利用一些需要具有單向交流導(dǎo)電驅(qū)動(dòng)性質(zhì)的電子器件,能夠?qū)⒚總€(gè)方向及其功率大小都能發(fā)生線性改變的單向交流電信號(hào)轉(zhuǎn)化成作為直流電輸出。下面將會(huì)介紹各種由晶體二極管構(gòu)成的整流電路。1.半波整流電路半波整流電路作為最簡(jiǎn)單的整流電路。它是由變壓器T、整流二極管D以及負(fù)載Rfz組成。變壓器的作用很顯然，把一次側(cè)的電網(wǎng)交流電（220V）變?yōu)檎麟娐沸枰妮斎虢涣麟妷篹2，二極管D再把該交流電壓整理成脈動(dòng)直流電壓。變壓器的二次側(cè)電壓e2，是一個(gè)正弦波電壓。在整個(gè)周期的前半個(gè)周期內(nèi)，e2的波形是正弦波的正方向的半個(gè)波形，體現(xiàn)在變壓器二次側(cè)也就是變壓器二次側(cè)電動(dòng)勢(shì)為上正下負(fù)。這時(shí)的加在二極管兩端的電壓是正向電壓，所以二極管可以導(dǎo)通工作，e2通過二極管被施加在負(fù)載電阻Rfz上，在整個(gè)周期的后半個(gè)周期內(nèi)，e2的波形是正弦波的負(fù)方向的半個(gè)波形，體現(xiàn)在變壓器二次側(cè)也就是說變壓器二次側(cè)的電動(dòng)勢(shì)是下正上負(fù)。這時(shí)侯加在二極管D兩端的電壓是反向電壓，二極管無法導(dǎo)通被截止了，所以e2無法通過二極管被施加在負(fù)載Rfz上。因?yàn)閑2是周期性正弦波所以在后續(xù)的周期內(nèi)，會(huì)一直重復(fù)上述的過程，這樣反復(fù)進(jìn)行下去，交流電壓的負(fù)半波就被阻攔住了，僅僅只有正半波通過二極管施加在負(fù)載Rfz，在Rfz上形成一個(gè)上正下負(fù)的電壓，這樣便實(shí)現(xiàn)了整流的目的，但是，負(fù)載電壓Usc以及負(fù)載電流還是會(huì)隨著時(shí)間的變化而變化，因此，該直流電又通常被稱為脈動(dòng)直流電REF_Ref16917\r[6]這種去除半波的整流方法，叫作半波整流方式?？梢钥闯?，半波整流是通過“犧牲”一半的交流電而來達(dá)到整流的效果，因此這種整流方式的電流利用率很低，因此該電路經(jīng)常用在高電壓、小電流的場(chǎng)合，而在一般的裝置中很少出現(xiàn)。2.全波整流電路把半波整流電路的結(jié)構(gòu)稍作一些調(diào)整，就可以獲得一種可以充分利用電能的整流電路，叫全波整流電路。圖2.2所示就是全波整流電路的結(jié)構(gòu)原理圖。圖2.2全波整流電路全波整流電路，相當(dāng)于是兩個(gè)半波整流電路拼湊而成的。在變壓器次級(jí)線圈的中間引出一個(gè)抽頭，把次組線圈對(duì)等的分成兩個(gè)相同的繞組，從而將次級(jí)電壓分成兩個(gè)大小相等、極性相反的電壓e2a、e2b，構(gòu)成由e2a、D1、Rfz與e2b全波整流電路的工作原理是，以周期性正弦波的一個(gè)周期為例，在一個(gè)周期內(nèi)波形會(huì)有正半波和負(fù)半波，二次側(cè)電壓是正半波時(shí)，e2a也是正半波，二極管D1上的電壓便為正向電壓，根據(jù)二極管的單相導(dǎo)電性，二極管導(dǎo)通，但是e2b上的電壓對(duì)于二極管D2來說是反向電壓，由于二極管的單相導(dǎo)電性，二極管截止，那么就會(huì)在負(fù)載Rfz上有一個(gè)上正下負(fù)的直流電壓；同理，二次側(cè)電壓是負(fù)半波時(shí)，D3.橋式整流電路橋式整流電路是目前電力領(lǐng)域使用最為廣泛的整流電路。這種整流電路，僅僅是在全波整流電路的基礎(chǔ)上再添加兩個(gè)二極管來形成一種“橋”式的結(jié)構(gòu)，就可以使其具備全波整流電路的優(yōu)點(diǎn)，并且還能在一定程度上避免它的缺點(diǎn)。整流電路橋式整流電路的工作原理如下：二次側(cè)電壓e2是正半波的時(shí)侯，二次側(cè)電壓加在D1、D3兩端，對(duì)二者來說是正向?qū)妷?，電流從正的一端流出，流?jīng)D1、Rfz、D3回到負(fù)的一端，那么在負(fù)載Rfz兩端形成的是上正下負(fù)的直流電，同理，重復(fù)上述過程，結(jié)果就是在Rfz上獲得到一個(gè)全波整流的直流電壓。從圖2.3中可以看出來，橋式整流電路中每個(gè)二極管兩端可以承受的最大的反向電壓等同于變壓器次級(jí)電壓的最大值，但是卻比全波整流電路的最大值小一半。圖2.3橋式整流電路三相橋式全控整流電路為三相整流變壓器。VT1~VT6為晶閘管元件，T為三相同步變壓器圖2.4三相橋式全控整流電路三相橋式半控整流電路與三相橋式全控整流電路結(jié)構(gòu)上基本上一致，僅僅是把共陽極組VT4，VT6，VT2的可控晶閘管元件替換成VD4，VD6，1.2.3元件選擇其中我們需要特別注意的一點(diǎn)就是,二極管控制器件整流作為一種新型整流控制元件,要根據(jù)各種類型的整流工作模式和不同負(fù)載的大小等來進(jìn)行正確的選擇。若材料選擇不正確,則不能安全可靠地完成工作,甚至?xí)龤б粋€(gè)的管子;選擇的管子超出要求,造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。另外,在一個(gè)高電壓或大電流的實(shí)際工作應(yīng)用場(chǎng)合,如果一個(gè)用戶手頭上沒有器件能夠直接承受高電壓或者大電流，可以將這個(gè)整流二極管直接串聯(lián)或者直接并聯(lián)在一起來對(duì)它進(jìn)行整流使用。圖2.5所示的是二極管并聯(lián)使用的情況：兩只二極管同時(shí)進(jìn)行整流并聯(lián)、每只是同時(shí)分擔(dān)一個(gè)整流穩(wěn)壓電路總額定輸出輸入電流的一半,三只二極管同時(shí)進(jìn)行整流并聯(lián),每只是同時(shí)分擔(dān)一個(gè)整流穩(wěn)壓電路總額定輸入電流的三分之一。總之,有幾只二極管可以進(jìn)行互相并聯(lián),流經(jīng)每只并聯(lián)二極管的并聯(lián)電流也就是相等于總并聯(lián)電流的幾分之一。但是,在我們進(jìn)行實(shí)際的并聯(lián)二極管去整流的操作中,由于各個(gè)并聯(lián)二極管的并聯(lián)特性不完全一致,無法并聯(lián)均分所有的需要電流通過的并聯(lián)電流,會(huì)導(dǎo)致有些并聯(lián)管子因?yàn)槠涔ぷ髫?fù)擔(dān)太重而被明火燒毀。因此這就要求必須在每只二極管上都必須要分別串聯(lián)一只與阻抗數(shù)值相同的小電阻器,使各個(gè)并聯(lián)的二極管電路中流過的電流接近一致。這種起到均流作用的電阻R一般會(huì)選擇使用零點(diǎn)幾歐姆到幾十歐姆的電阻器。電流值越大，R應(yīng)該越小。圖2.5二極管并聯(lián)使用圖2.6所示的是二極管串聯(lián)的情況。顯然,在理想的電壓條件下,有幾只小的管子互相進(jìn)行串聯(lián),每只一個(gè)小的管子所能夠承受的逆向交流電壓就只能相當(dāng)于管子總負(fù)荷的幾分之一。但因?yàn)槊恐荒嫦蚨O管的逆向穩(wěn)壓電阻不盡相同,會(huì)直接可能造成兩端的逆向電壓之間分配不均:內(nèi)部逆向電阻較大的二極管,有可能兩端是由于逆向內(nèi)阻電壓的過高而被擊穿,并由此各個(gè)二極管之間產(chǎn)生連鎖反應(yīng),將二極管逐個(gè)打開或者逐個(gè)擊穿。在二極管上加上并聯(lián)穩(wěn)壓電阻,可以有效促進(jìn)并聯(lián)電壓的均勻分配。均壓電阻要選取阻值范圍比二極管反向電阻值小的電阻器，而且每個(gè)電阻器的阻值都要相等。圖2.6二極管串聯(lián)使用1.2.4相控整流電路通過采用控制交流電相角的方法來達(dá)成整流目的的整流電路就被稱為相控整流電路。該電路可控正是因?yàn)樵撾娐肥褂玫氖强煽氐恼髟чl管。其控制方法是通過施加脈沖控制信號(hào)來控制晶閘管的開通和關(guān)斷，進(jìn)而改變交流電的相位角，從而能夠控制輸出直流電壓的大小。所以被稱為相控。相控整流電路又包含單相整流電路、三相整流電路和多相整流電路。相控整流電路的輸出電壓要有較大的可調(diào)范圍，脈動(dòng)要盡可能的小，該電路不僅對(duì)輸入的交流電源和電路器件的導(dǎo)電性有影響，而且變壓器的選擇也需要考慮。1.單相整流電路圖2.7為單相半波可控整流電路。其工作過程如下：當(dāng)u2電壓是負(fù)半波的時(shí)候，晶閘管截止不工作。而當(dāng)u2是正半波的時(shí)候，如果不給其施加觸發(fā)脈沖的話，晶閘管也是截止的，只有給晶閘管加上觸發(fā)脈沖之后，晶閘管才會(huì)導(dǎo)通，這時(shí)候負(fù)載Rd上有電流流過。電流變成零之后，晶閘管自動(dòng)關(guān)閉，回到下一次導(dǎo)通的起點(diǎn)，如此重復(fù)下去，負(fù)載上就會(huì)得到直流電壓ud。從晶閘管兩端是正電壓到晶閘管導(dǎo)通為止相差的角度就是控制角，用α來表示。因此通過改變控制角的大小，即改變觸發(fā)脈沖出現(xiàn)的時(shí)間，即可改變晶閘管的開通關(guān)斷，進(jìn)而能改變輸出直流電壓的大小。觸發(fā)脈沖總是在一個(gè)周期內(nèi)的特定時(shí)間時(shí)施加在晶閘管上，對(duì)其進(jìn)行控制，因此，觸發(fā)脈沖和電源要配合好頻率和相位，也稱之為同步REF_Ref7058\r[16]圖2.7單相半波可控整流電路圖2.8所示的是單相橋式可控整流電路。和單相半波可控整流電路比較，該電路中的變壓器的利用系數(shù)比前者要高，而且直流側(cè)脈動(dòng)直流電壓的基波頻率也是交流電壓基波頻率的二倍，因此適用于小功率場(chǎng)合。在這里，提到了脈波數(shù)P。所謂的脈波數(shù)P其實(shí)就是在交流電源的一個(gè)周期內(nèi)直流側(cè)輸出直流電的波形重復(fù)了P次。脈波數(shù)P越大，交流電壓就越接近標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。一般可以通過增加相數(shù)來使得脈波數(shù)P增大，但是，相數(shù)越大，各個(gè)相的通電時(shí)間又會(huì)變小，這樣的話會(huì)導(dǎo)致整流元件與變壓器的二次側(cè)繞組的利用率變差，裝置的體積也會(huì)變大，成本增加。圖2.8單相橋式可控整流電路圖2.9所示的是單相橋式半控整流電路，因?yàn)槭褂玫氖强煽氐木чl管和不可控的二極管，所以是半控整流。圖中的VD是續(xù)流二極管，如果整流得到的直流電壓是負(fù)值時(shí)，該續(xù)流二極管就會(huì)成為直流側(cè)環(huán)流的途徑，使得輸出電壓保持為零。單相整流電路相對(duì)來說結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，對(duì)觸發(fā)電路的設(shè)計(jì)要求不高，相位同步很容易實(shí)現(xiàn)，調(diào)整起來也很容易。但它的缺點(diǎn)是輸出的直流電壓的紋波系數(shù)較大。若把它接在交流電網(wǎng)的任意一相上，會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)的負(fù)載不平衡，所以只適合使用于4kW以下的中小容量設(shè)備。如果負(fù)載很大的話，那么就使用三相電路。圖2.9單相橋式半控整流電路2.三相整流電路如果需要整流的容量比較大，還要求直流電壓的脈動(dòng)要盡可能的小，整流速度還要快的話，應(yīng)該考慮要使用三相可控整流電路。因?yàn)閷?duì)于單相來說三相整流裝置的三相電壓是平衡的，所以輸出的直流電壓和電流脈動(dòng)會(huì)很小，對(duì)交流電網(wǎng)的影響也小，而且控制的滯后時(shí)間也較短。三相全控橋式整流電路，其輸出電壓的交變分量最低頻率是電網(wǎng)頻率的6倍，交流分量和直流分量的比值也小，因此濾波器的電感量也比同容量的單相或三相半波電路要小很多。而且晶閘管的額定電壓值也比較低。所以該電路適用于大功率變流裝置REF_Ref347\r[3]。上述介紹了各種整流電路，并且分析了它們的工作原理，以及整流出的直流電的大小，本文研究的是單相功率因數(shù)校正控制系統(tǒng)，根據(jù)本文的研究?jī)?nèi)容和實(shí)際情況，電路中用到的整流電路不需要去控制相角等一系列的因素，僅僅是把220V、50Hz的交流電整流成合適的直流電而已，所以本文選擇的是單相全橋不可控整流電路。1.3功率因數(shù)校正系統(tǒng)的主電路拓?fù)涞姆诸惞β室驍?shù)校正技術(shù)主要是有兩個(gè)目標(biāo)：第一，是把交流電裝換為直流電；第二，是讓網(wǎng)側(cè)電流的相位和網(wǎng)側(cè)電壓的相位一致。為達(dá)成這兩個(gè)目標(biāo)，必須在整流電路和負(fù)載之間加入斬波電路，并且這個(gè)斬波電路應(yīng)該包含有斬波方式控制的全控型開關(guān)器件，例如MOSFET和IGBT。全控型開關(guān)管的開通和關(guān)斷對(duì)應(yīng)于不同的電路工作狀態(tài)，合理的控制開關(guān)管的開通、關(guān)斷就能就能達(dá)成上述兩個(gè)目標(biāo)。理論上來說，基本的DC/DC電路都可以用來做主電路拓?fù)?。比如降壓（Buck）變換電路、升壓（Boost）變換電路、升降壓（Buck-Boost）變換電路、Sepic變換電路、Cuk變換電路以及Zeta變換電路。這其中，Buck、Boost、Buck-Boost和Cuk電路最為常見，接下來會(huì)介紹這四種結(jié)構(gòu)。1.3.1升壓型（Boost）功率因數(shù)校正電路Boost電路是有源功率因數(shù)校正技術(shù)現(xiàn)在最常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，其原理圖見圖1.10。電路是由交流電源、不可控整流橋、續(xù)流二極管VD、電感L、功率開關(guān)管VF、輸出濾波電容C和負(fù)載R構(gòu)成的。通過控制開關(guān)管的控制信號(hào)的占空比來控制管子的開通、關(guān)斷，從而達(dá)到升功能。該結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有：1）電感在開關(guān)管之前，能對(duì)輸入電流起到濾波的作用，有利于獲得較高的功率因數(shù)。2）功率開關(guān)管的源極參考電位是零，有利于驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。缺點(diǎn)是輸入的浪涌電流較大、共模EMI噪聲較大。圖1.10升壓型（Boost）PFC結(jié)構(gòu)圖1.3.2升降壓（Buck-Boost）功率因數(shù)校正電路Buck-Boost電路做功率因數(shù)校正電路的主電路的時(shí)候有兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的升降壓PFC以及級(jí)聯(lián)式式升降壓PFC，原理圖如圖1.11（a）和圖1.11（b）所示。傳統(tǒng)的升降壓PFC采用的式單開關(guān)形式；級(jí)聯(lián)式升降壓PFC是用Buck電路作為前級(jí)的，Boost電路作為后級(jí)，把這兩級(jí)級(jí)聯(lián)起來，這其中的電感L不僅是Buck電路的輸出電感，還是Boost電路的輸入電感。兩者皆可以實(shí)現(xiàn)升壓和降壓的功能，但是后者具有相對(duì)較低的開關(guān)應(yīng)力，比前者使用的廣泛。（a）傳統(tǒng)升降壓型PFC結(jié)構(gòu)圖（b）級(jí)聯(lián)式升降壓PFC結(jié)構(gòu)圖圖1.11升降壓（Buck-Boost）PFC結(jié)構(gòu)圖級(jí)聯(lián)式升降壓PFC電路的主要的優(yōu)點(diǎn)有：可以滿足升壓和降壓這兩種變換功能，應(yīng)用起來比較為靈活。開關(guān)應(yīng)力較小，與傳統(tǒng)Buck-Boost、Cuk、Sepic電路比較，該結(jié)構(gòu)可以減少開關(guān)器件的電壓電流的應(yīng)力。主要的缺點(diǎn)有：電路控制起來比較復(fù)雜，在半個(gè)工頻周期之內(nèi)，對(duì)兩個(gè)開關(guān)管的控制，電路要經(jīng)歷從Boost到Buck再到Boost的切換過程。這樣導(dǎo)致控制電路的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比于Bosst電路增加了一個(gè)功率開關(guān)器件，所以電路的效率相對(duì)較低。1.3.3Cuk型功率因數(shù)校正電路Cuk電路是美國(guó)加州理工學(xué)院的SlobodanCuk對(duì)Buck-Boost改進(jìn)后的變換電路，可以看成是在Boost電路后面串聯(lián)一個(gè)Buck電路，并且把二者的開關(guān)管合并得到，原理圖見圖1.12。Cuk電路同樣有著升壓和降壓兩種功能。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有：在電路的輸入和輸出端都有電感，可以減小輸入和輸出電流的脈動(dòng)。輸入和輸出電流都是連續(xù)的，開關(guān)電流被限制在了電路的內(nèi)部，所以輸出紋波和電磁干擾很小。其缺點(diǎn)則是：要選擇高要求的二極管和功率開關(guān)管，這樣占空比較大的時(shí)候有著能承受較大應(yīng)力的能力。因?yàn)槭莾杉?jí)結(jié)構(gòu)，所以效率會(huì)有所下降。圖1.12Cuk型PFC結(jié)構(gòu)圖1.3.4降壓型（Buck）型功率因數(shù)校正電路Buck電路作功率因數(shù)校正器的主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的原理圖如圖1.13所示，組成Buck電路的器件和組成Boost電路的器件一樣。有交流電源、整流橋、功率開關(guān)管、續(xù)流二極管、濾波電容、電感以及負(fù)載。經(jīng)過對(duì)功率開關(guān)管開通與關(guān)斷的控制，可以使電路實(shí)現(xiàn)降壓的功能。使用Buck電路實(shí)現(xiàn)PFC有很多優(yōu)點(diǎn)：1）低端具有高效率。輸入端是交流低壓（90V）時(shí)，Buck電路因其降壓特性，能使得輸出電壓和輸入電壓之間相差不大，進(jìn)而獲得高效率。2）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用器件少，成本低。相比于Boost型的PFC，Buck型PFC需要的電感量小很多，減少了系統(tǒng)的重量和體積。3）電壓應(yīng)力小。Buck型PFC電路之中，輸入電壓的最大值是功率開關(guān)管所能承受的最大電壓，和Boost型PFC電路相比較，Buck型PFC電路的開關(guān)管有著更小的電壓應(yīng)力。4）輸出電壓低，便于后級(jí)DC/DC電路的設(shè)計(jì)。5）共模EMI噪聲小，相比于Boost型PFC電路，Buck型PFC電路中的功率開關(guān)管兩端的電壓變化率更小，所以其EMI特性更好。但是這種拓?fù)湟灿兄恍┎豢杀苊獾娜秉c(diǎn)：輸入的電流存在著死區(qū)，當(dāng)輸出的電壓小于輸入的電壓，電路之中沒有電流流入，也就是說沒有輸入電流，輸入電流也就無法跟隨輸入電壓，致使諧波含量增大。2）Buck型PFC電路中功率開關(guān)管是浮地的，所以設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路的難度很大。圖1.13降壓型（Buck）PFC結(jié)構(gòu)圖綜上所述，相比于Boost型PFC電路，Buck型PFC雖然有輸入電流死區(qū)的缺點(diǎn)，但是Boost型PFC在低電壓輸入場(chǎng)合，為了達(dá)到要求的功率，需要很大的輸入電流，這樣就會(huì)加大功率開關(guān)管的損耗，使得電源適配的效率大幅下降。當(dāng)今時(shí)代，隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)電源的效率和功率密度的需求也越來越高，Buck型PFC電路具有高效率、簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)、輸出的電壓低、共模EMI噪聲小的優(yōu)點(diǎn)，近幾年逐漸成為科研界的新寵兒。綜合以上的優(yōu)點(diǎn)以及本課題研究的要求，本文選擇使用Buck型PFC電路。1.4功率因數(shù)校正參數(shù)的設(shè)計(jì)一般，Buck型PFC電路工作模式有三種，CCM、CRM和DCM，并且工作在這三種工作模式時(shí)都能滿足要求。CCM模式的變換器經(jīng)常使用于高輸出功率的場(chǎng)合。Buck型PFC電路工作在DCM模式時(shí)可以實(shí)現(xiàn)零電流導(dǎo)通，續(xù)流二極管沒有反向恢復(fù)，電感把從電源吸收的能量全部傳給負(fù)載，電感電流不連續(xù)可能會(huì)導(dǎo)致紋波變大，但是在中小功率場(chǎng)合應(yīng)用的還是比較廣泛，所以本文的Buck型PFC在DCM模式下工作。圖1.14Buck變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Buck型PFC電路的參數(shù)實(shí)際上就是設(shè)計(jì)Buck電路的參數(shù)。Buck電路工作在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，圖1.15所示的是其電量波形，功率開關(guān)管導(dǎo)通之后，電感上的電流線性增加，這時(shí)二極管兩端的電壓uD和輸入電壓uin相等；功率開關(guān)管關(guān)閉之后，電感上的電流流過續(xù)流二極管形成續(xù)流回路，這時(shí)電感上的電流線性減小，如果功率開關(guān)管斷開期間電感上的電流沒有減小至零，那么Buck電路工作在電感電流連續(xù)模式（CCM），如圖1.15Uout如果在功率開關(guān)管再導(dǎo)通之前電感上的電流減小至零，那么Buck電路工作于電感電流斷續(xù)模式（DCM），如圖1.15iLUout其中，Iocm圖1.15Buck電路的穩(wěn)態(tài)工作曲線選擇合適的濾波電感L與電路的工作狀態(tài)以及負(fù)載上電流的變化范圍有關(guān)，電路工作在電感電流連續(xù)模式（CCM）的時(shí)候，電感大小為L(zhǎng)=UIocIOML<電感取值的大小會(huì)影響電感電流的紋波，如果想要電感電流的紋波小，那么電感的取值就要大一些。但若是既想電路工作在DCM模式，電感的取值又滿足公式（2-5），電感的值還要結(jié)合實(shí)際情況來決定。濾波電容C的取值大小會(huì)影響輸出電壓的紋波，電容值越大，輸出電壓就越穩(wěn)定，但是電容過大的話會(huì)使裝置的體積增大，成本也就增加了。所以電容的設(shè)計(jì)主要是由輸出電壓的允許脈動(dòng)量?UC≥1.5雙閉環(huán)控制電路的設(shè)計(jì)1.5.1PI調(diào)節(jié)器的介紹雙閉環(huán)PI控制有著容易實(shí)現(xiàn)、穩(wěn)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)，在目前的階段仍是PFC的主要控制手段。在電壓和電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)之中，內(nèi)部電流環(huán)和外部電壓環(huán)都采用的是PI控制器，通過功率因數(shù)校正電路和PWM調(diào)制器各自輸入和輸出的關(guān)系，并且對(duì)PI控制器的輸出進(jìn)行限幅，可以搭建Buck型PFC電路基于雙閉環(huán)PI控制的數(shù)學(xué)模型。如圖1.16所示，其中，輸入電壓Uin是一個(gè)正弦值，給定電壓Uref為常數(shù)，Ucpp是PWM調(diào)制的載波峰-峰值，電壓PI調(diào)節(jié)器的輸出限幅是0~I圖1.16Buck型PFC雙閉環(huán)控制系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型PI參數(shù)設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)PI控制器的一個(gè)主要步驟，要求設(shè)計(jì)出來的參數(shù)不但要滿足系統(tǒng)對(duì)紋波和穩(wěn)態(tài)誤差的要求，還考慮系統(tǒng)在啟動(dòng)過程中的調(diào)節(jié)時(shí)間和電壓超調(diào)量這些動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，PI控制器的參數(shù)不同，系統(tǒng)啟動(dòng)的動(dòng)態(tài)性能也就不同。使用PI控制器來控制系統(tǒng)的時(shí)候，整個(gè)啟動(dòng)到穩(wěn)態(tài)的過程有兩步，第一步是系統(tǒng)上電，輸出電壓是零，外部電壓環(huán)上的調(diào)節(jié)器輸出的值在一瞬間就會(huì)到達(dá)上限，這時(shí)電壓環(huán)無法起到正常的調(diào)節(jié)作用，從而失效，電路僅僅在內(nèi)部電流環(huán)的控制之下工作，給定R(t)=I1.6有源功率因數(shù)校正控制方法當(dāng)前比較常見的幾種有源功率因數(shù)校正技術(shù)的控制手段有常見的平均電流控制、峰值電流控制。此外，還有滯環(huán)電流控制（CCM模式），恒頻控制及變頻控制（DCM模式）。接下來會(huì)一一介紹這幾種控制方法。1.6.1平均電流控制傳統(tǒng)雙閉環(huán)PI控制就是平均電流控制。內(nèi)環(huán)控制是指電感電流的輸出值作為其輸入的反饋所構(gòu)成的電流內(nèi)環(huán)控制，外環(huán)控制是輸出電壓作為輸入電壓反饋所構(gòu)成的電壓外環(huán)控制。該控制方法的控制思想是把輸入電壓控制調(diào)節(jié)從而得到輸出電壓，將輸出電壓和系統(tǒng)期望電壓作差后得到差值信號(hào)，再經(jīng)過放大器和乘法器的調(diào)節(jié)終而得到一個(gè)半波信號(hào)，相位和頻率與輸入電壓的相位和頻率一樣。這個(gè)控制方法就是把電路的采樣電流經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器的調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)平均處理，通過驅(qū)動(dòng)模塊的作用是將PI調(diào)節(jié)器的產(chǎn)生的信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轵?qū)動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而控制功率開關(guān)管的通斷。乘法器的作用是將信號(hào)的等級(jí)改變，例如當(dāng)輸出電流比平均電流值小時(shí)，可以通過增大乘法器的增益來調(diào)節(jié)占空比，此時(shí)隨著延長(zhǎng)開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間增加，輸入電也會(huì)相應(yīng)變大。電感上的電流的平均值通過控制會(huì)出現(xiàn)半個(gè)正弦波波形，并且會(huì)隨著輸入電壓波形變化而變化。但是其存在一個(gè)缺點(diǎn)，就是傳統(tǒng)的電流感測(cè)電路以數(shù)字的方式感測(cè)功率開關(guān)管每個(gè)周期的電感電流的平均值，能實(shí)現(xiàn)更低的諧波失真和更高的功率因數(shù)，但是計(jì)算量非常大。平均電流控制方式的另一個(gè)缺點(diǎn)時(shí)負(fù)載變化的時(shí)候，響應(yīng)速度很慢。圖1.17平均電流控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.6.2峰值電流控制峰值電流控制與平均電流控制不同的是，平均電流控制需要計(jì)算平均值，但是峰值電流則不需要。它是對(duì)電感上的電流的峰值進(jìn)行測(cè)量控制的方法，通過負(fù)反饋調(diào)節(jié)，使輸入的峰值能隨著輸出峰值變化而變化。這種控制方法的控制思想是通過采集到的開關(guān)管的電流，與基準(zhǔn)信號(hào)的電流峰值作差值，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器用來控制開關(guān)管的PWM信號(hào)，并且生成只用來控制功率開關(guān)管關(guān)斷的PWM信號(hào)，而功率開關(guān)管的開通則是由固定的時(shí)鐘信號(hào)來控制的。峰值電流控制的優(yōu)點(diǎn)是控制電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、暫態(tài)響應(yīng)速度快以及能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)均流并聯(lián)的功能，但是該控制方法對(duì)噪聲影響很敏感，并且由于PWM信號(hào)的占空比大于50％之后會(huì)出現(xiàn)開環(huán)不穩(wěn)定的情況，所以需要對(duì)其進(jìn)行斜坡補(bǔ)償REF_Ref5265\r[7]。圖1.18峰值電流控制的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1.6.3滯環(huán)電流控制相比于其他幾張功率因數(shù)控制方法來說，滯環(huán)電流控制是最簡(jiǎn)單的。這種方法的控制思想是用電感電流的值和上限閾值及下限閾值作比較生成控制信號(hào)。在控制電路中，功率開關(guān)管開通時(shí)，電網(wǎng)電能涌入，電感電流會(huì)緩慢上升。在電流上升的過程中，會(huì)出現(xiàn)電流大于預(yù)先設(shè)定的上限閾值的情況，滯環(huán)模塊就會(huì)輸出低電平信號(hào)，這個(gè)低電平信號(hào)會(huì)控制開關(guān)管關(guān)斷，另外一條支路的電感開始作為電源放點(diǎn)，隨著電能的逐漸消耗，電感電流逐漸下降，此時(shí)的電感電流下降到下限閾值的時(shí)候，滯環(huán)比較模塊就會(huì)從輸出控制開關(guān)管的打開的高電平信號(hào)，驅(qū)動(dòng)開關(guān)管導(dǎo)通，此時(shí)恢復(fù)到第一個(gè)過程之前的狀態(tài)，并且電感不再放電，反而開始充電，電感電流開始上升，一直重復(fù)這種過程，從而對(duì)電路進(jìn)行控制。滯環(huán)電流控制的優(yōu)點(diǎn)是穩(wěn)態(tài)性能好，不需要斜坡補(bǔ)償，但是缺點(diǎn)也很明顯，因?yàn)闄z測(cè)以及電感電流的控制需要整個(gè)周期的時(shí)間，開關(guān)的頻率受負(fù)載的影響會(huì)很大，沒有辦法去確定開關(guān)的頻率，因此只能按照最低頻率去設(shè)計(jì)濾波器。圖1.19滯環(huán)電流控制的電路圖1.6.4恒頻控制功率因數(shù)校正電路使用恒頻控制的時(shí)候，有著恒定的開關(guān)頻率。開關(guān)的頻率恒定之后，如果輸出功率恒定并且輸出電壓值也恒定不變的話，那么控制信號(hào)也會(huì)保持固定的占空比，進(jìn)行恒頻控制之后，能使得輸入電流能和輸入電壓變化一致，這里的一致不僅是幅度成正比，還包括相位，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。恒頻控制的優(yōu)點(diǎn)是控制簡(jiǎn)單，輸出電壓大小和輸入電壓差的越多，輸入電流波形的畸變程度越小，校正的效果也越好。1.6.5變頻控制當(dāng)使用變頻控制方法控制功率因數(shù)校正電路時(shí)，由開關(guān)管的輸入脈沖的占空比確定平均輸入電流的大小，占空比指的是脈沖每個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間與周期的比值，并且在每個(gè)周期內(nèi)其占空比都不會(huì)發(fā)生變化。變頻控制里的電感電流必須始終是處于臨界導(dǎo)電狀態(tài)，這個(gè)控制過程比較復(fù)雜，但是只有在這種情況下才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制。目前業(yè)內(nèi)對(duì)這種控制方法的研究比較少。近些年，其他的一些新型控制方法出現(xiàn)在人們的視野之中，例如滑膜控制、預(yù)測(cè)控制、微分平坦控制和復(fù)雜邏輯控制?；？刂朴兄匀坏聂敯粜裕呛苌儆玫紸C-DC；預(yù)測(cè)控制