1、PFC电路仿真课程设计2摘要开关电源以其效率高、功率密度高而在电源领域中占据着重要的地位。开关电源多数是通过整流器与电网相接的，经典的整流器是由二极管或晶闸管组成的一个非线形电路，在电网中会产生大量的电流谐波和无功功率而污染电网，成为电力公害。随着电力电子产品的广泛使用，尤其是开关电源的应用，对电网造成的谐波污染也越来越严重，这使得功率因数校正（PFC）技术成为电力电子研究的一个热点。功率因数校正的目的，就是采用一定的控制方法，使电源的输入电流跟踪输入电压，功率因数接近为1。有源功率因数校正优于无源功率因数校正，一般多采用之。开关电源有源功率因数校正的主电路通常采用DC/AC开关变换器，其中升
2、压型变换器由于具有极大的优点，使用比较广泛。而本设计就是采用Boost电路和专门用作功率因数校正的芯片共同完成开关电源功率因数的校正。关键词：开关电源整流器谐波电流功率因数校正有源功率因数校正1、开关电源功率因数校正原理1.1、什么是功率因数补偿，什么是功率因数校正功率因素补偿:这项技术主要是针对因具有感性负载的交流用电器具的电压和电流不同相(图1)而引起的供电效率低下,提出的改进方法(由于感性负载的电流滞后所加电压,电压和电流的相位不同,使供电线路的负担加重,导致供电线路效率下降,这就要求在感性用电器具上并联一个性质相反的电抗元件.用以调整该用电器具的电压、电流相位特性.例如:当时要求所使用
3、的40W日光灯必须并联一个4.75F的电容器).用电容器并联在感性负载的两端,利用电容上电流超前电压的特性,用以补偿电感上电流滞后电压的特性,使总的特性接近于阻性,从而改善效率低下的方法叫做功率因数补偿(交流电的功率因数可以用电源电压与负载电流两者相位角的余弦函数值cos表示)。 常规开关电源功率因数低是由于开关电源都是在整流后,用一个大容量的滤波电容使输出电压平滑,因此负载特性呈现容性.这就造成了交流220V在整流后,由于滤波电容的充、放电作用,在其两端的直流电压上出现略呈锯齿波的纹波.滤波电容上电压的最小值远非为零,与其最大值(纹波峰值)相差并不多。 因为根据整流二极管的单向导电性,只有在
4、AC线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时,整流二极管才会因正向偏置而导通,而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时,整流二极管因反向偏置而截止.也就是说,在AC线路电压的每个半周期内,只是在其峰值附近,二极管才会导通.虽然AC输入电压仍大体保持正弦波波形,但AC输入电流却呈高幅值的尖峰脉冲,如图2所示.这种严重失真的电流波形含有大量的谐波成份,引起线路功率因数严重下降.在正半个周期内(180),整流二极管的导通角大大小于180,甚至只有3070.由于要保证负载功率的要求,在极窄的导通角期间,会产生极大的导通电流,使供电电路中的供电电流呈脉冲状态.它不仅降低了供电的效率,更为严重的是,它在供
5、电线路容量不足或电路负载较大时,会产生严重的交流电压波形畸变(图3),并产生多次谐波,从而干扰了其它用电器具的正常工作(这就是电磁干扰EMI和电磁兼容EMC问题)。1.2、怎样进行功率因数校正1.2.1功率因数校正:(PFC)我们目前使用的电视机,由于采用了高效的开关电源,而开关电源内部电源输入部分,无一例外的采用了二极管全波整流及滤波电路,如图4A所示,其电压和电流波形如图4B所示 如果在整流滤波后不加滤波电路,仅为足性负载时,输入电流即为正弦波.并且与电源电压同相位,功率因数为1.因此,功率因数校正电路的基本思想就是将整流电路与滤波电容隔开,使整流电路由电容性负载变成电阻性负载.功率因数校
6、正电路其实就是一个AC/DC变换器.它是利用脉冲波宽度调变(PWM)技术来调整输入功率的大小,以供应适当的负载所需的功率.脉冲波宽度调变器控制切换开关将直流输入电压变换成一串电压脉冲波,随后利用变压器和快速二极管将其转换成平滑的直流电压输出.这个输出电压随即与一个参考电压进行比较,所产生的电压差反馈至PWM控制器.这个误差电压信号用来改变脉冲波宽度的大小.如果输出电压过高,脉冲波电压会减小,进而使输出电压降低,使输出电压恢复至正常输出值.PFC电路就是利用这个方法,但是加入了一个电路,使的来自交流电源的电流是一个正弦波并与交流电压同相位.此时误差电压信号的调变是由整流后的交流电压和输出电压的变
7、化来控制的,最后误差电压信号反馈至PWM控制器.也就是说,当交流电压高时,PFC电路就从交流电源吸取较多的功率;反之,若交流电压较低,则吸收较少的功率,这样就可以抑制交流电流谐波的产生. 为了抑制电流波形的畸变及提高功率因数,现代的功率较大(大于85W)具有开关电源(容性负载)的用电器具,必须采用PFC措施,PFC分为有源PFC和无源PFC两种方式。1.2.2有源PFC电路的原理有源PFC电路则有很好的效果,基本上可以完全消除电流波形的畸变,而且电压和电流的相位可以控制保持一致,它基本上完全解决了功率因数、电磁兼容、电磁干扰的问题,但是电路非常的复杂.其基本思路是在220V整流桥堆后去掉滤波电
8、容(以消除因电容充电造成的电流波形畸变及相位变化),由一个“斩波”电路把脉动的直流变成高频(约100KHz)交流经过整流滤波后,其直流电压再向常规的PWM开关稳压电源供电,其过程是ACDCACDC。有源PFC电路的基本原理是在开关电源的整流电路和滤波电容之间增加一个DCDC的斩波电路,如图6所示(斩波电路等于附加一个开关电源). 图五 有源PFC电路1.2.3 斩波部分（PFC开关电源）整流二极管整流以后不加滤波电容器,把未经滤波的脉动正半周电压作为斩波器的供电电源,由于斩波器一连串做“开关”工作脉动的正电压被“斩”成图7所示的电流波形,其波形的特点：（1） 电流波形是断续的,其包络线和电压波
9、形相同,并且包络线和电压波形相位同相；（2）由于斩波作用,半波脉动的直流电变成高频(由斩波频率决定,约100KHz)图六 斩波器输出的电压和电流波形图（3）从外供电总的看,该用电系统做到了交流电压和交流电流同相,并且电压波形和电流波形均符合正弦波形,既解决了功率因数补偿问题,也解决了电磁兼容(EMC)和电磁干扰(EMI)问题。该高频“交流”电再经过整流二极管整流,并经过滤波变成直流电压(电源)向后级的PWM开关电源供电,该直流电压在某些资料上把它称为B+PFC(海信等离子TPW4211即是如此).斩波器输出的B+PFC电压一般高于原220V交流整流滤波后的+300V,其原因是选用高电压、电感的
10、线径小、线路压降小、滤波电容容量小、滤波效果好,对后级PWM开关管要求低等等诸多好处。1.3目前PFC开关电源部分,起到开关作用的斩波管(K)有两种工作方式1.3.1连续导通模式(CCM)开关管的工作频率一定,而导通的占空比(系数)随被斩波电压的幅度变化而变化,如图8所示。图中T1和T2的位置:T1在被斩波电压(半个周期)的低电压区,T2在被斩波电压的高电压区,T1(时间)T2(时间).从图中可以看到,所有的开关周期时间都相等,这说明在被斩波电压的任何幅度时,斩波管的工作频率不变.从图8中可以看出,在高电压区和低电压区,每个斩波周期内的占空比不同(T1和T2的时间相同,而上升脉冲的宽度不同),
11、被斩波电压为零时(无电压),斩波频率仍然不变,所以称为连续导通模式(CCM),该种模式一般应用在250W2000W的设备上。图七 连续导通模式（CCM）1.3.2不连续导通模式（DCM）斩波开关管的工作频率随被斩波电压的大小变化,每一个开关周期内“开”、“关”的时间相等,如图9所示.T1和T2时间不同,也反映随着电压幅度的变化其斩波频率也相应变化.被斩波电压为“零”时,开关停止(振荡停止),所以称为不连续导通模式(DCM),即有输入电压斩波管工作,无输入电压斩波管不工作.它一般应用在250以下的小功率设备上,例如:海信TLM3277液晶电视接收机开关电源的PFC部分即工作在DCM模式。1.3.
12、3临界导通模式(CRM)或过渡模式(TCM)工作介于CCM和DCM之间,工作更接近DCM模式.在上一个导通周期结束后,下一个导通周期之前,电感电流将衰减为零,而且频率随着线路电压和负载的变化而变化。优点:廉价芯片、便于设计,没有开关的导通损耗,升压二极管的选择并非决定性的；缺点:由于频率变化,存在潜在的EMI问题,需要一个设计精确的输入滤波器。图八 不连续导通模式2基于Boost斩波电路的PFC电路仿真2.1Boost电路简单介绍图九分析Boost电路的工作原理时，首先假设电路中电感L值很大，电容C值也很大。当VT处于通态时，电源向电感L充电，充电电流基本恒定为，同时电容C上的电压向负载供电，
13、因C值很大，基本保持输出电压为恒值。设VT处于通态的时间为Ton，则经过计算输出电压与输入电压的关系为:,输出电压高于输入电压，故该电路为升压斩波电路。2.2 Boost拓扑结构的PFC电路工作原理图十 PFC原理图PFC需要采用双闭环控制，控制思路如下：首先利用传感器检测电路的输出电流和输出电压，然后通过检测的输出电压和给定电压进行差值，再把这个电流差值送给PI1调节器，然后再利用PI1调节器输出的信号和同步信号进行相乘，得到的信号再和电流检测信号进行PI调节，最后利用输出的信号作为脉宽调制信号与三角载波进行调制，产生IGBT触发信号，对IBGT进行控制。最终使得电网侧电压和电流同相。2.3
14、用MATLAB里的SIMULINK进行仿真建模 图十一 PFC主电路和控制电路模型2.4参数设置及仿真结果本实验电网侧交流电源为，负载端稳定参考电压,开关频率, ,负载电阻,设置锯齿载波幅值为t.。2.4.1设置t=3.5时，仿真结果及傅里叶频谱分析如下 2.4.2设置t=2时，仿真结果及傅里叶频谱分析如下 分析以上的频谱可知，低次谐波的幅值很高，高次谐波的幅值很低，输出负载的端电压的直流分量很高，输出负载端电压的谐波分量很少。对电网侧来说亦是如此，于是便实现了消除或削弱高次谐波对电网的不利影响，使得电路总体功率因数大大提高至接近1。3、总结与体会本次课程设计采用负反馈对Boost电路输出电压
15、和输出电流进行控制，使得输出电压和输出电流保持稳定。我首先对Boost电路工作原理进行了分析，通过闭环控制可以看到其稳压及抑制干扰的重要做用，实际中用PI调节器调节，比例环节用于纠正偏差，而积分环节用于消除系统稳态误差。这次课程设计让我深刻意识到系统建模和仿真能力对PFC等在现代社会有巨大价值和实际意义的技术进行研究不可缺少的一项能力。说实话，我在这个过程中学到了很多，体会到了作为工科技术人才进科学研究的乐趣，虽然一开始会很多疑惑和失败，但只要坚持一步步探索下去，就会逐步将难题化解。 通过这次课程设计我集中温习了电力电子中关于斩波电路的知识理论，第一次明白了功率因数的深刻意义并全面研究了PFC技术的原理以及实现方法，且用MATLAB仿真实验成功模拟出其神奇的功能.虽然仍有不足之处，但是时间紧，做进一步深入研究已来不及，以后有机会我一定会深入研究这项技术，努力做出改进与创新！4、参考文献【1】王兆安，刘进军，电力电子技术。机械工业出版社【2】张晓华，控制系统数字仿真与CAD，机械工业出版社【3】黄忠霖，黄京，电力电子技术的MATLAB实践，机械工业出版社【4】邹伯敏，自动控制原理，机械工业出版社
