功率因数校正电路仿真电力电子课程设计说明书.doc

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1、目录摘要11 设计任务及要求21.1初始条件21.2主要任务22 功率因数校正的原理32.1功率因数校正的必要性32.2功率因数（PF）42.3功率因数和谐波的关系42.4改善开关电源功率因数及谐波问题的方法52.5 CCM Boost功率因数校正原理52.6有源功率因数校正控制方法63 UC3854芯片介绍93.1 UC3854简介93.2 UC3854引脚功能概述104功率因数校正电路原理图135基于UC3854的PFC电路的仿真145.1仿真模型的建立145.2电路参数145.3仿真结果及分析15小结思考17参考文献18本科生课程设计成绩评定表摘要 当前单相APFC技术已完全成熟，应用到

2、开关电源中可提高功率因数至0.98以上，成为许多开关电源的必备前级，应用日益广泛。快速高效地设计出满足系统要求的APFC已成为工程技术人员必须面对的问题。MATLAB强大的信号分析处理能力对高效地设计APFC及整定各个环节的参数带来了极大便利。 根据功率因数校正的原理和特点，建立了一种基于Matlab的功率因数校正电路的仿真模型，详细介绍了模型的建立过程并给出了具体的算法，最后对功率因数校正电路进行了参数仿真，并对建立的模型作了验证。仿真结果表明，运用Matlab中的SimPowerSystems模块对复杂的电路进行仿真分析和研究，不失为一种准确、直观有效的方法。功率因数校正PFC（Power

3、 Factor Correction）是治理谐波污染的一种有效方法。论文介绍了有源功率因数校正（APFC）电路的工作原理。该电路采用平均电流模型UC3854，它通过脉宽调制输出的一连串脉冲信号来控制电路中开关晶体管的导通与截止，从而将输入电流与输出电压的相位重新调整到同相状态，最终达到功率因数校正的目的。仿真与试验结果表明，该Boost功率因数校正器设计合理，性能可靠，功率因数可达到0.99，而且与当今通用的PFC控制电路兼容。关键词：功率因数 模型 仿真1 设计任务及要求1.1初始条件输入交流电源：单相220V，频率50Hz。1.2主要任务1、基于CCM-BOOST方式实现功率因数校正，输入

4、功率因数达到0.99。2、输出直流电压：400V，输出功率250W。4、建立功率因数校正电路Matlab仿真模型或者saber模型。5、进行仿真，得到交流侧输入电压电流波形。2 功率因数校正的原理2.1功率因数校正的必要性图1 整流电路图输入为单相交流的开关电源，其输入整流滤波环节电路采用单相桥式不可控整流滤波电路，如图1所示。输入220V交流电，整流后直接接滤波电容，以获得较为平滑的直流电压。但是此整流滤波电路存在输入功率因数低的缺点，通常电容滤波二极管整流器输入功率因数只能达到0.65左右，而且输入电流的畸变使得整流器输入电流额定值增大，导致效率降低。由于整流二极管的非线性和滤波电容的储能

5、作用，导致整流二极管只有在输入电压峰值附近的瞬时值大于滤波电容两端的短时间内才导通，其他大部分时间里，二极管被反向偏置而处于截止状态。这样一来，是输入电流成为一个时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流，如图2所示。图2 整流电路输入电压电流仿真图输入交流电压虽然是正弦的，但输入交流电流波形却严重畸变，呈脉冲状，其结果可以由如图1所示的整流电路的仿真结果得到验证。从图2可以看出，输入电流发生了严重畸变。因此，大量应用整流电路，要求电网供给严重畸变的非正弦电流，造成的严重后果是：谐波电流对电网有危害作用，另外输入端功率因数下降。为了消除电流谐波和提高功率因数，必须在电路整流后加入功率因数校正电路。2.

6、2功率因数（PF）功率因数是电源对电网供电质量的一个重要衡量指标。根据电路基本理论，功率因数（Power Factor）定义为有功功率（P）和视在功率（S）的比值，用公式表示为：式中：P：输入有功功率S：视在功率：电网电流有效值，其中，为输入电流各次谐波有效值；：输入电压基波有效值 I1：输入电流基波有效值：输入电流的波形畸变因数：基波电压和基波电流的位移因数称为畸变因数，它表示基波电流有效值在总的输入电流有效值中所占的比例。称为位移因数，它反映了输入电流与输入电压之间的相位差。功率因数是畸变因数和位移因数的乘积，很显然，当输入电流与输入电压是同频同相的正弦波时，有PF=1。2.3功率因数和谐

7、波的关系为了衡量高次谐波对总输入电流的影响，定义总谐波畸变(Toatl HarmonicDistortion，THD)为:则与THD的关系为：，因此，又可推知得到功率因数的另一表达式：上式便是功率因数与总谐波畸变之间的关系，必需注意的是，上式的关系仅当输入电压为正弦波，且输入电流的基波与输入电压之间相位差为零时才成立。2.4改善开关电源功率因数及谐波问题的方法功率因数校正的一般方法：1.无源功率因数校正：利用电感、电容和电阻的组合设计构成的滤波电路，可滤除某一次或多次谐波，最普通易于采用的无源滤波器结构是将电感与电容串联，可对主要次谐波（3、5、7）构成低阻抗旁路；无源滤波器具有结构简单、成本

8、低、运行可靠性较高、EMI小等优点；主要缺点是尺寸、质量大，那一得到接近1的功率因数（一般可提高到0.8-0.9），工作性能与频率、负载变化及输入电压变化有关，电感和电容之间充放电电流较大等。2.有源功率因数校正:采用电流反馈，使输入端电流波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使输入端电流波形接近正弦。从而使输入电流的THD小于10%，功率因数可提高到0.99或更高。由于这个方案中应用了有源器件，故称之为有源功率因数校正，简称APFC。它的优点是可以得到较高的输入功率因数；THD小；可在较宽的输入电压范围和宽频带下工作；体积、质量小；输出电压也可保持恒定。缺点是：电路复杂、MTBF下降、成本高、E

9、MI高、效率有所降低。2.5 CCM Boost功率因数校正原理 CCM Boost PFC变换器的主电路由单相桥式整流桥和Boost变换器组成。控制电路包括电压误差放大器VA及基准电压Ur，电流误差放大器CA，乘法器M，PWM比较器和驱动器等。CCM Boost PFC变换器电路原理图如图3所示。图3 CCM Boost PFC电路控制原理图 图3所示的电路工作原理是：输入电流即电感电流iL有电流采样电阻Rs检测，将检测到的信号送入电流误差放大器CA中。乘法器M有两个输入，即Um和Kvindc。变换器的输出采样电压Vf和基准电压Ur进行比较，其差值通过电压误差放大器VA，VA的输入信号为Um

10、；整流后的输入电压u1的检测值即为Kvindc。乘法器的输出iMO作为电流反馈控制的基准信号，与电感电流iL的检测信号进行比较，经过电流误差放大器CA放大后，输出控制信号Vc，Vc被锯齿波调制成PWM信号，再由驱动电路控制开关S的导通和关断，从而使整流输入电流iL跟踪整流电压u1的波形，使得电流谐波大为减少，提高了输入端功率因数，由于功率因数校正器同时保持输出电压恒定，使后级DC-DC或DC-AC的电路设计更容易些。2.6有源功率因数校正控制方法(1)平均电流型如ML4832、UC3854，工作频率恒定，采用连续调制模式(CCM) 。这种控制方式的优点是恒频控制；工作在电感电流连续状态，开关管

11、电流有效值小、EMI滤波器体积小；能抑制开关噪声；输入电流波形失真小。主要缺点是控制电路复杂；须用乘法器和除法器；须检测电感电流；需电流控制环路。(2)滞后电流型如CS3810,工作频率可变,电流达到滞后带内发生功率开关通与断操作,使输入电流上升、下降。电流波形平均值取决于电感输入电流。(3)峰值电流型如ML4831、MC34262，工作频率可变，采用不连续调制模式(DCM)。DCM采用跟随器方法具有电路简单、易于实现的优点，主要缺点是功率因数和输入电压与输出电压的比值有关，即当输入电压变化时，功率因数PF值也将发生变化，同时输入电流波形随输入电压与输出电压的比值的加大而总谐波失真系数变大；开

12、关管的峰值电流大( 在相同容量情况下,DCM中通过开关器件的峰值电流为CCM的两倍)，从而导致开关管损耗增加。所以在大功率APFC电路中, 常采CCM方式。综合考虑，本设计采用电压电流双闭环的平均电流控制模式，图4为其原理图。 图4 用平均电流控制的Boost PFC电路原理图 其工作原理的实质是:借助功率开关管有规律的通断，通过整流桥将电源短路，使得电感L不断地储存能量，并且将全部储能或者部分储能释放到直流侧的电解电容C0，目标是获得与电源电压同步的正弦输入电流波形和稳定的直流输出电压。 控制方式采取双环控制，“外环”电压环和“内环”电流环。乘法器负责将电压误差放大器输出、输入电压参考波形与

13、电源电压有效值二次方的倒数相乘，得到综合的电流参考信号。电源电压有效值二次方的倒数可以用来调节输入电压范围，以满足宽范围电压供电的要求。电压闭环负责将给定电压与实际电压进行误差放大，目标是维持输出电压稳定。电流闭环负责将电流参考信号与实际检测电流信号相比较后进行PI调节，并产生最终控制信号，与三角载波比较后得到实际PWM信号，驱动功率开关管，Rs为检测电流用低阻值无感电阻，流过它的电流即升压电感L的电流，作为电流闭环PI调节器的一个输入。电感L的电流经过输入电容C的吸收之后得到纹波电流比较低的正弦输入电流，且与输入电压同步。平均电流型有源PFC电路工作频率固定，输入电流连续（CCM），波形图如

14、图5所示。图5 平均电流控制时电感电流波形图3 UC3854芯片介绍3.1 UC3854简介利用UC3854构成的有源功率因数校正电路可以实现功率因数校正功能，减小交流输入市电电流的谐波畸变。UC3854芯片结构包括：电压放大器VA、模拟乘法器/除法器M、电流放大器CA和固有频率脉宽调制器PWM、功率MOS管的门极驱动器、7.5V基准电压（1%误差），以及软启动、输入电压前馈、输入电压钳位和过电流保护的比较器等。UC3854利用平均电流控制技术来实现恒频电流控制，具有工作稳定性好和畸变小的优点。不像电流峰值性控制，利用平均电流型控制技术可以在不采用谐波补偿的前提条件下，使交流市电输入电流波形为

15、正弦波，并且抗干扰能力强。UC3854的高基准电压值和高幅值的振荡波形提高了它的抗干扰能力，而快速PWM控制电路可以使它的工作频率高于200KHz，UC3854可应用于交流输入供电电压范围为75275V、电源的供电频率范围为50400Hz的有源功率因数校正场合，由于UC3854的工作电流小，所以简化了UC3854的供电电路部分的设计。 UC3854的引脚图和内部框图如图6和图7所示。图6 UC3854的引脚图图7 UC3854的内部框图 3.2 UC3854引脚功能概述Gnd：所有的电压测量都以地电平Gnd脚为参考基准。供电脚VCC和基准电压脚REF均应接一只。PKLMT：即峰值电流限制脚。它

16、的门限电平应为零值(0.01 V )。经该脚接入的负电压加到图中电流检测电阻器上。用一个电阻器由2脚接REF脚，以补偿负极性电流检测信号，使之升到(Gnd)地电平。CA Out：电流放大输出脚。该脚是宽频带工作放大器的输出端，它检测电网电流，并控制脉宽调制器PWM来校正电流波形。该输出脚的振幅可接近地电平，当必要时允许PWM实现零占空比。ISENSE：即电流检测负号端。该脚是电流放大器的反相输入端。该脚同非反相输入的乘法器输出，维持功能直到零值或低于地电平。引脚电压应高于-0.5V。 Mult Out：即乘法器输出端和电流检测器正输入端。模拟乘法器的输出端和电流放大器的非反相输入端，被连接在一

17、起作为Mult Out脚。由于乘法器的输出是一个电流值，它作为一个高阻抗输入与ISENSE脚相似，所以电流放大器构成差分放大器以抑制地线噪声。IAC：交流电流输入端。该脚输入到模拟乘法器的是一个电流。从该电流IAC脚输入到Mult Out端，乘法器被制成很低的失真，所以该脚只是乘法器的输入端，应用时检测电网电压。引脚的设定电压为6V。 VA Out：放大器输出。该脚是调节输出电压的工作放大器输出端。像电流放大器那样，若IC因ENA或VCC失效，电压放大器将停止工作。也就是说，由于瞬时的失效周期，跨接在放大器的大反馈电容器将停止充电。电压放大器的输出电平低于1V时，将禁止乘法器输出。电压放大器的

18、输出端在IC内部被限制在5.8V左右，以防止过冲。：电网电压有效值。升压PWM的输出值是与输入电压成比例的。所以当输入低带宽升压PWM电压调节器的电网电压变化时，其输出将立刻变化，并缓慢的恢复到调节电平。若器件接的电压与输入的电网电压有效值成正比，那么输入就能补偿电网电压的变化。当最佳控制时，应停留在1.53.5V之间。VREF：电压基准输出。VREF是一个精确值为7.5V的电压基准输出。该输出脚能提供10mA给外围电路，并在IC内部受短路电流的限制。当VCC是低电平或者当ENA为低电平时，VREF则失效，并维持在0V值。为了有良好的稳定性，应当用一只0.1uf或更大的陶瓷电容将VREF对地旁

19、路。ENA：使能控制端。ENA是一个逻辑输入，为PWM输出电压基准和振荡器的使能控制端。ENA还能解除软启动箝位，允许SS脚升高电压。当该脚不用时，应把ENA接到+5V电源上，或者用一只22K电阻器拉高其电位。ENA并非指定用于高速关闭去PWM输出。VSENSE：是电压放大器的反相输入端。该脚通常接反馈网路，并经一个分压器网络接到升压变换器的输出。：是振荡器充电电流和乘法器限制设置端。将一只电阻器从接到地，将调节振荡器的充电电流，并让乘法器输出为最大。乘法器输出电流在接地的电阻分压器上的电压值不会超过3.75 V。SS：软启动。当IC无效或VCC太低时，SS将维持在地电平。当VCC和IC均正常

20、有效时，SS脚电压将被IC内部一个14A的电流源提高超过8V。若SS低于REF， SS充当电压放大器的基准输入。用一只大电容器接SS脚到地，电压调节放大器大的基准电压将缓慢升高，并将缓慢地减小PWM的占空比。万一发出禁止指令或电源跌落，SS将快速放电到地并使PWM无效。CT：振荡器定时电容器。从CT脚接地的电容器将设置振荡器的频率，它按如下关系式计算： VCC：正极性电源电压。在正常工作时接电源VCC的稳定电流至少为20mA ，高于17V 。在VCC脚也接旁路电容接地，用于吸收对外部MOSFET栅极电容充电时产生的电源电流尖峰。为了防止不适当的栅极驱动信号，IC将阻断输出，直到VCC高于欠压锁

21、定门限并维持在高于较低的门限电平。： PWM输出是一个图腾柱式MOSFET栅极驱动器()信号。该输出被IC内部箝位在15V，所以IC可工作在高于35V电压值。采用最小为的栅极串联电阻器，可防止栅极阻抗与栅极驱动器输出之间的互相作用影响，它会引起输出过冲太大。当驱动容性负载时，某些输出的过冲总是会出现的。4功率因数校正电路原理图基于CCM-BOOST方式的功率因数校正电路设计包括主电路的设计和控制电路的设计。主电路主要包括工频整流桥，输入电感，开关管，续流二极管，输出滤波电容等；控制电路主要是PWM电流控制芯片UC3854集成电路。图8 功率因数校正电路原理图5基于UC3854的PFC电路的仿真

22、5.1仿真模型的建立建立基于UC3854的平均电流控制型PFC的SIMULINK的仿真电路图，如图9所示。图9 平均电流控制型PFC的Simulink的仿真图其中解算选项设置为:最大步长为1e-6s ，相对精度为1e-3s，算法选择ode23tb其他选项选择缺省值。5.2电路参数主电路介绍:图中VS1为标准单相正弦电压源，电压有效值为220V。RLC1为输入滤波电容，RLC2为升压电感，RLC3为桥后直流侧并联电阻，RLC4为功率级无感电阻，负责检测电感电流瞬时值，RLC5为电解电容，RLC6为电阻负载，RLC7与RLC8为分压电阻，构成1: 80 的比例，提供电压反馈信号。D1D4构成单相整

23、流桥，MOSFET1为功率开关，FRD1为反向快恢复功率二极管。控制电路介绍:三角波发生电路由时钟Clock、采样保持器ZOH、复合器MUX以及通用表达式Fcn3构成锯齿波。电压滤波器由常数Constant、加法器Addl、传递函数Transfer Fcnl、饱和器Satuation2组成，完成对负载电压的检测与给定电压的比较、滤波和放大。输入交流电压波形检测部分由正弦波发生器Sine Wave、求绝对值器Abs、通用表达式Fcn4组成，其中Sine Wave的幅值为0.05V，与电源Vs波形和相位完全一致，Fcn4负责补偿过零失真。上述两者结果经过乘法器Product相乘后的乘积为输入参考电

24、流信号，与电压表VM2检测得到的电感电流信号相比较作为电流PI调节器的输入。电流PI调节器由传递函数Transfer Fcn2、饱和器Satuation2、通用表达式Fcn5组成，Fcn5负责改善输入电流波形，得到的结果通过复合器MUX和通用表达式Fcn3与锯齿披相比较得到PWM脉冲，驱动Mosfet开通与关断。5.3仿真结果及分析 仿真结果如下:图10 系统从启动到稳定时输入电流的波形缩略图图11 系统稳定后闭环输入电流波形细节图图12 闭环直流输出电压波形在仿真过程中看出,在开环时输入电流波形电流连续，类似与正弦波，但还存在较大畸变，功率因数较低。由图10、图11及图12可以看出，经过功率

25、校正后输入电流已几乎接近正弦波，交流输入电流能良好跟踪交流输入电压；系统稳定后的输入电流波形和理论波形（见图5）基本相似，电流连续，类似与正弦波；输出电压稳定；因此表明提高了功率因数；达到了功率因数校正的目的。小结思考这次的课程设计让我能通过使用MATLAB软件来应用学过的电力电子技术的知识，深化了对知识的理解。本文分析了平均电流控制型功率因数校正电路的工作原理和实现方法，并采用MATLAB中的Power System工具箱建立了主电路的模型，对基于UC3854的功率因数校正电路进行了仿真研究。通过MATLAB对基于UC3854的PFC电路进行设计和仿真，加深了对知识的理解，从仿真结果可以看出

26、，运用功率因数校正，使输入电流能很好地跟踪输入电压波形，挺高了系统的功率因数，稳定了系统输出电压，符合功率因数校正的要求。另外，在功率因数校正电路中，电路元件参数的选取，对提高功率因数同样很重要。此次设计也让我明白了在做设计之前要查找充分的资料，并在设计中也勤查资料，只有这样才能全面的、准确的完成课程设计。设计中有很多是我们所不熟知的部分，查找资料并且学习资料上的东西不仅可以让我们拓宽视野，而且有利于我们把设计做的更出色。另外，此次课程设计让我清楚地知道了细心的重要性。在Simulink仿真过程中，要注意电路的连线，不然容易导致错误出现，不能出现预期的曲线。这就要求我们要细心对待，了解每一个设

27、计步骤的意义，每一步程序书写的正确性。 这次课程设计让我受益颇多。虽然这个过程中我犯了很多错误，但是通过我自己的努力和同学们的帮助，我了解了自己错误的原因，并且改正了错处。同时，我也巩固了自己学过的知识，锻炼了自己的能力，为以后的发展打下了基础。参考文献1王兆安、黄俊.电力电子技术.机械工业出版社（第四版），20042路秋生.功率因数校正技术与应用.机械工业出版社，2006.23贲洪奇、张继红.开关电源中的有源功率因数校正技术.机械工业出版社，2010.54蔡宣三、倪本来.开关电源设计与制作基础.电子工业出版社，2012.65梁奇峰.开关电源原理与分析.机械工业出版社，2012.10本科生课程设计成绩评定表姓 名 性 别 专业、班级 课程设计题目： 功率因数校正电路仿真课程设计答辩或质疑记录：成绩评定依据：最终评定成绩（以优、良、中、及格、不及格评定）指导教师签字： 年 月 日19