基于数字单周期管控功率因数校正体系概述与实现

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1、基于数字单周期管控功率因数校正体系概述与实现第1章绪论1.1研究背景和意义在开关电源的发明后，凭借其高效率、体积小、容量密度大、可升压等优点，开关电源技术得到了很大发展。同时各种开关电源产品也在越来越多的场合得到使用，虽然开关电源也有着电磁干扰等问题，但总体来看，开关电源由于有着很多线性电源无法企及的优势，未来的主流电源一定是开关电源。随着开关电源的使用越来越多，人们逐渐意识到，由于开关电源往往都将交流输入转换成为直流电压，再进行变换得到所需要的电能形式，而在整流的过程中，输入电流畸变问题显得越来越严重，引入电网的一些高次谐波可能会

2、影响到同一电网中的其他用电设备，严重的时候甚至可能导致电网自动保护或者瘫痪。因此针对开关电源的功率因数校正逐渐得到人们重视，国内外学者针对这个问题做了大量的研究工作[1]。最早的功率因数校正都是采用电感和电容的无源网络来实现，尽管这种方法有着稳定性高和成本低的优点，但是校正效果差、体积过大以及电流应力大等缺点使得这种方法已经逐渐被淘汰。随着半导体技术和电力电子器件的发展，有源功率因数校正（ActivePo），电感电流不连续模式（DCM），以及临界模式（BCM），开关电源工作在不同的电流模式下时，控制方法也会有较大的区别。DCM控制方

3、法也叫做电压跟踪法，这种工作模式的APFC结构和控制方法非常简单，应用也比较广泛，这种模式下的APFC不需要采样输入电压，也不需要采样输入电流，所以不需要太多的外围调理电路，而其控制策略就是直接使用一个P驱动开关管工作，让输入电流自动跟随输入电压变化，完成功率因数校正。从图中也可以看出，这种控制方法的APFC是不需要采样输入电压和输入电流的，结构也非常简单。DCM控制的策略是选用一个比较小的电感，使电路在每一个开关周期内，电感电流都会下降到0，在下一个开关周期内从0开始线性上升，这样便实现了DCM控制，这样便可以形成零电流开关，即每

4、一次开关管打开时，其电流从0线性上升，而且此时续流二极管不会有反向恢复电流，这样从一定程度上来讲可以降低开关管的损耗，提高效率。如果二极管续流时间一定，那么从式2-1中就可以看出，电感的平均电流和输入电压是呈固定比例的，所以如果输入电压是一个正弦波，那么就可以将输入电流校正成为一个正弦波，但是在实际中，二极管续流时间并不是恒定的，所以会导致电感电流产生畸变，一定程度上影响了功率因数校正效果。DCM模式还有针对恒频模式进行改进的峰值电流限制的单电压环控制，主要思路就是在P比较器里加入一个斜坡补偿，让占空比在工频周期内可以随着输入电压值

5、的变化而变化，增强了校正效果，但是会让电路更加复杂。同时DCM模式的APFC还有变频控制等，不再展开讲述。..第3章单周期控制的APFC分析..........253.1单周期控制APFC的稳定性.......253.2单周期控制APFC的数字化.......263.3单周期控制在VIENNA结构中的应用....293.4解耦单相VIENNA系统仿真......363.5本章小结....41第4章系统硬件软件设计........424.1主功率电路设计和参数计算.......424.2电压采样调理电路.........464.3电流

6、采样及调理电路.....474.4开关管驱动电路......484.5主控制器电路设计.........494.6软件部分设计..........504.7本章小结....54第5章系统测试和结果分析....555.1输入电流特性..........555.2输出电压及启动特性.....565.3系统加减载特性......565.4本章小结....57第5章系统测试和结果分析5.1输入电流特性本文的设计是一个功率因数校正系统，系统的设计目标就是校正输入电流为一个正弦波，所以检验样机是否达到预期性能，首先就要看输入电流波形。样机在额定

7、功率下工作的输入电流波形如图5-1（a）所示，为了对比和没有功率因数校正的效果，特对不加校正的不控整流电路电流波形进行对比，其波形如图5-1（b）所示。从图5-1（b）可以看出，不加功率因数校正的输入电流波形是完全畸变的，只有一个比较尖的脉冲电流，在很长的时间内，电流都为0，而在某一段较短的时间里电流又很大，很明显这样的电流波形是包含很多谐波的，这也和2.1节里的仿真结果是一致的。而图5-1（a）中的电流波形则被校正成为一个正弦波，和输入电压波形保持一致，这也就完全达到了系统的设计预期目标，实现电流校正，而通过功率因数表测量，功率因

8、数已经达到0.99以上，实现了单位功率因数校正。总结随着电力电子和集成电路技术的发展，越来越多的大功率电气设备正在各种工业场合得到应用，在工业生产、国民经济生活和国防等各个方面起到了极大的作用。但是在电力电子设备广泛应用的同时，其稳定