東北石油大學本科生畢業設計（論文）MACROBUTTONMTEditEquationSection2EquationChapter1Section1SEQMTEqn\r\hSEQMTSec\r1\hSEQMTChap\r1\h摘要開關電源是實現電能轉換和功率傳遞的重要設備。近年來,隨著電力電子技術的快速發展,開關電源因其效率高、性能好、成本低而被廣泛應用于國民經濟的各個領域,并取得了顯著的效益。因此研究設計一款性能穩定、可靠性高的開關電源具有極高的科研意義和商業價值[1]。本文對Boost型功率因數校正技術進行了分析、設計和研究。詳細分析了有源功率因數校正器的基本工作原理,通過比較幾種不同拓撲的PFC變換器主電路的優缺點,和比較控制電路的幾種不同控制方法的優缺點,明確本文所要研究的對象為平均電流控制（ACM）的Boost型功率因數校正器。在此基礎上對Boost主電路和控制電路進行數學建模,得出其狀態方程和傳遞函數,運用仿真軟件MATLAB中的Simulink工具,建立了Boost主電路和控制電路的Simulink仿真模型,并得出其仿真結果。本文根據Boost變換器的特點和要求,設計了一個具體、實用的帶PFC功能的開關電源電路,并給出了具體設計步驟和電路參數的計算。平均電流控制的單相Boost功率因數校正電路,完全能夠達到整流、高輸入功率因數、升壓、穩壓、低紋波的目標,具有廣闊的應用前景。關鍵詞:功率因數校正；Boost變換器；仿真

AbstractSwichingpowersupplyisanimportanttoachievePowerconversionAndPowerdelivery.Inreeentyears,Swichingpowersupplyiswidelyusedinvariousefieldofnationaleconomywiththedevelopmentofpowerelectronicetechnology,andachieveingremarkableresult,becauseofitshigheffieieney,goodperformanceandlowcost.SodesigningakindofSwitchingPowersupplywithsteadyPerformanceandhighreliabilityhashighseientificandcommercialvalues.BasedonthesummaryofthefruitsoftheresearchoftheActivePowerFactorCorrection,thePFCsystem,whichadoptsBoostpowerconvertercircuitandAverageCurrentModecontrolscheme,iswellstudiedinthisthesis.Accordingtotheprincipleandthediscussionofthesingle-phaseactivepowercorrection,concludingdifferentstructuresofthemaincircuitandmethodsofthecontrollers,thePFCsystem,whichadoptsBoostpowerconvertercircuitandAverageCurrentModecontrolschemeisindicatedasthedevelopingdirectionofPFCandregardedasPFCsystemstructure.Then,thestatedifferentialequationsofidealBoostconverterandthegeneraltransferfunctionsofPWMconverterarededucedandthesimulationmodelsofidealconverterareshowedusingMATLAB.Besides,wedesignapracticalcircuitwiththefunctionofPFC,givingdiscretedesignstepsandthecalculationofthecircuitparameters.Finally,wecanconcludethatthePFCsystemwhichadoptsBoostpowerconvertercircuitandAverageCurrentModecontrolschemecanachievegoodperformance,whichcanbeusedwidelyinthefuture.Keywords:PFC(powerfactorcorrection);Boostconverter;Simulation目錄TOC\o"1-2"\h\z\u第1章緒論 )f（6）求RR3.3本章小結本章確定了本文的研究對象為平均電流控制的Boost型APFC電路,并對主電路的參數進行了設計,對控制電路的主要環節進行了建模和參數計算,至此完成了基于UC3854控制芯片Boost型APFC系統主電路、控制電路及外圍電路的設計,我們可以依照這些參數設計APFC的仿真模型。

第4章APFC電路的仿真分析4.1MATLAB簡介MATLAB是一種以矩陣為基礎的交互式程序計算語一言。它采用開放性開發的思想,在圖形表達、解決科學和工程上復雜的數學問題、自動控制以及信號和圖像處理方面具有強大的功能,己發展成為適合各種平臺的多功能的大型軟件。由于操作方便、使用簡單,因此收到越來越多用戶的喜愛和歡迎,成為國內外教育教學和科學研究的最常用的軟件之一。1990年基于框圖的仿真平臺Simulink首先在Mathworks軟件公司面世。Simulink是一中實現動態系統建模仿真和分析的集成軟件包,包含了線性系統、非線性系統和離散系統的仿真。用simuhnk對系統和電路進行仿真研究,能彌補非線性化帶來的問題。Simulink仿真環境也成工具箱,包含Simulink仿真平臺和系統仿真模型庫兩部分。在Simuhnk仿真環境下,可以用點擊拖動鼠標的方式來繪制和組織系統電路來完成仿真研究,同時系統的函數和電路元器件都可以用框圖來表達,框圖之間的連線則表示了信號流動的方向。為了驗證第三章所設計APFC電路對電流的校正效果,本文采用Matlab6.5平臺進行了仿真驗證。Matlab是美國MathWorks公司推出的一種基于矩陣計算的科學計算軟件,它采用了開放性開發的思想,在數值計算、圖形處理、數據分析及工程設計仿真等方面的應用極其廣泛,它內建了豐富的庫函數,具有編程效率高、程序設計靈活、圖形功能強等特點。已經發展成為適合多學科、多種工作平臺的功能強大的大型軟件。Matlab產品是集數值計算、高級繪圖及可視化、高級程序開發語言和動態系統建模仿真于一體的開發環境。被廣泛應用于包括信號處理與圖象處理、控制系統設計、電力系統設計、財務、醫藥等諸多領域。Matlab的一大特性是有眾多的面向具體應用的工具箱,包含了完整的函數集,用于對信號圖象處理、控制系統設計、電力系統分析設計等。Matlab工具箱是一系列專用的函數庫,解決特定領域的問題,工具箱是開放的可擴展的,可以根據特殊的需要開發自己的算法。Matlab提供的Simulink是一個用來對動態系統進行建模仿真和分析的軟件包,它支持連續、離散及兩者混合的線性和非線性系統。形成了一系列規模龐大、覆蓋面極廣的工具箱,包含了控制理論、電力系統、信號處理等大量現代工程技術學科。Simulink為用戶提供了圖形化建模的接口,它與傳統的仿真軟件包用微分方程和差分方程建模相比,具有更直觀、方便、靈活的優點。Matlab/Simulink中的電力系統工具箱SPB中包括了電路仿真所需的各種元件模型,包括有電源模塊、基礎電路模塊、電力電子模塊、電機模塊、連線器模塊、檢測模塊以及附加功率模塊等七種模塊庫。每個模塊庫中包含各種基本元件模型,如電源模塊中有直流電壓、電流源,交流電壓源、電流源,受控電壓源、電流源等五種電源模型；電機模塊庫中包含了各種電機模型,如異步電動機、同步電動機、水磁同步電動機等；電力電子模塊庫包含了理想開關元件、晶閘管、功率場效應管、可關斷晶閘管等多種功率開關元件模型。只需將模塊中的元件拖到Simulink窗口中,通過參數設置對話框設置參數就可以實現電力電子電路的仿真。本章采用Matlab/Simulink中的電力系統工具箱模塊對所設計的APFC電路進行了仿真。4.2APFC主電路的仿真4.2.1主電路的原理圖采用狀態方程法來推導Boost電路的數學模型。圖4-1為基本Boost型變換器的主電路。為了確定開關管和二極管的工作狀態,引入二進制變量A,當開關S導通時,A=1；當開關S截止時,A=0。這樣,變量A就可以代表開關管和二極管的狀態,它是二進制變量,取值{0,1}[14]。SSLVDCR+-++-圖4-1基本Boost型變換器電路當開關管S導通時,A=1,則
,即
(4-1)
,即
(4-2)當開關管S截止時,A=0,則有/diL

,即
(4-4)將方程（4-1）~（4-4）聯立,運用二進制變量A,由邏輯代數運算規則,可得到一個開關周期內的狀態方程。diLdt=即得Boost主變換電路的狀態方程:

(4-5)

(4-6)4.2.2主電路的Simulink模型根據式（4-7）、（4-8）運用MATLAB里的Simulink模塊[15]16],即可建立Boost變換電路的仿真模型,如圖4-2所示,這里輸入變量是
、A.R,輸出是
、
。圖4-2Boost主電路的Simulink模型4.2.3主電路仿真結果圖4-3D=0.5時的控制波形圖4-4電感電流波形圖4-5電容兩端電壓啟動波形圖4-6電容兩端電壓穩態波形仿真參數取電感L=0.5mH,電容C=0.96mF,負載電阻R=100
。當輸入電壓
=200V,導通比為D=0.5時,電感電流（輸入電流）、電容電壓（輸出電壓）的波形如圖4-4.4-5.4-6所示。由此可見,當導通比D=0.5時,輸入輸出電壓關系式符合Boost電路輸入與輸出的關系式
。紋波小于0.5。4.3Boost型APFC電路的仿真4.3.4APFC電路仿真模型圖4-7Boost型APFC的仿真模型 圖4-8UniversalBridge子系統圖圖4-9Subsystem子系統圖根據第三章對主功率電路和控制電路的分析與計算可知,乘法器和電壓、電流調節器的設計是整個APFC電路的核心部分,整體的仿真框圖如圖4-8所示,APFC的主功率電路是基于Boost型升壓電路設計的,UC3854包含了乘法器和電壓、電流環調節器等,UC3854的輸出用來驅動功率MOSFET,通過改變其占空比來強迫輸入電流跟蹤輸入電壓,達到單位功率因數輸入的目的。4.3.2APFC電路仿真結果分析根據前面分析與計算電流調節器的參數選定為
,
,
,
。電壓調節器的參數選定為

。仿真所用的電路參數為：電感L=0.5mH,輸出電容C=0.96mF,開關頻率
,電網頻率
,
。對功率因數校正前后的系統進行仿真。圖4-10未加APFC電路時輸入電壓、電流波形圖4-11加入APFC后輸入電壓、電流波形圖4-10為未經APFC時系統網側輸入電壓和輸入電流波形,很顯然,其輸入電流發生嚴重畸變,呈窄脈沖狀,電流的畸變由于電網阻抗反過來影響電網電壓,造成總諧波畸變增大,輸入功率因數低。可以看出,與系統加APFC電路時相比,網側輸入電流由窄脈沖波形變成嚴格的正弦電流波形,且與輸入電壓同相位。圖4-11表示Boost變換器輸入電壓與輸入電流波形。其中,上面波形為變換器輸入電壓波形,即交流輸入電壓經全波整流的輸出電壓。下面波形為變換器輸入電流波形,即升壓電感電流波形。由圖可知,電壓、電流波形為嚴格的正弦波形,且為同頻同相。APFC使用時,Boost變換器可看作一個純電阻。 圖4-12加APFC整流后輸入電壓、電流波形圖4-13未加APFC時輸入功率因數波形圖4-14加APFC后的輸入功率因數波形圖4-15未加APFC時的輸入電流的總諧波畸變圖4-16加APFC后的輸入電流總諧波畸變圖4-17加APFC后的輸出電壓波形將圖4-13與圖4-14比較,明顯可看出功率因數校正前后系統輸入功率因數平均值約由0.789提高到0.998左右。將圖4-15與圖4-16相比較,可看出輸入電流的總諧波畸變率由原來的約0.76左右降為接近為零。輸入端總諧波畸變率明顯的減小,輸入功率因數明顯的提高,從圖4-17看出輸出直流平均電壓為400V左右,輸出電壓較穩定,實現400V直流輸出的要求,達到較為滿意的效果。4.4APFC電路的優化設計由于VD反向恢復過程中會產生的過大
的和寄生引線電感造成尖刺紋波噪聲,所以只要解決其反向恢復產生的電流沖擊問題,尖刺紋波噪聲就能迎刃而解。為此,人們提出了許多BoostPFC主電路的改進方案[17]。圖4-18帶中心抽頭的三點式電感Boost主電路PFC拓撲結構圖4-19Boost型APFC的仿真模型根據第三章對主功率電路和控制電路的分析與計算可知,乘法器和電壓、電流調節器的設計是整個APFC電路的核心部分,整體的仿真框圖如圖4-8所示,APFC的主功率電路是基于Boost型升壓電路設計的,UC3854包含了乘法器和電壓、電流環調節器等,UC3854的輸出用來驅動功率MOSFET,通過改變其占空比來強迫輸入電流跟蹤輸入電壓,達到單位功率因數輸入的目的。圖4-20未加電感時輸入電壓、電流波形圖4-20為未加三點式電感時的系統網側輸入電壓和輸入電流波形,很顯然,其輸入電流發生嚴重畸變,呈窄脈沖狀。圖4-21表示加入三點式電感Boost變換器輸入電壓與輸入電流波形由圖可知,電壓、電流波形為嚴格的正弦波形,且為同頻同相。圖4-21加入電感后輸入電壓、電流波形 圖4-22未加三點式電感時的總畸變率波形圖4-23加入三點式電感后的總畸變率波形圖4-24未加三點式電感整流后輸入電壓、電流的波形圖4-25加入三點式電感整流后輸入電壓、電流的波形將圖4-22與圖4-23比較,明顯可看出輸入電流的畸變率降低了,從0.6降低到0.23。輸入端總諧波畸變率明顯的減小,輸入功率因數明顯的提高,實現能源的“綠色化”,達到了技術指標要求。將圖4-24與圖4-25相比較,可看出輸入電壓、電流不再發生畸變,呈正弦波的形狀。仿真結果證明：Boost型APFC實驗裝置可以達到預期效果,實現輸入電流的整形,輸出電壓穩定,保證輸入功率因數PF=1。4.5本章小結本章主要介紹了Boost主電路和APFC系統的仿真模型,并對其波形進行了分析,仿真結果驗證了本文的設計符合功率因數校正的要求,其仿真模型的建立是正確的。此外本章還采用三點式電感對Boost電路進行了優化,減小了由于VD反向恢復過程中會產生的過大
,使得輸入電流波形比較平滑。結論本文介紹了有源功率因數校正的基本原理,并對其主電路拓撲和控制方法進行了比較分析,最終確定了本文的研究對像為平均電流控制的Boost有源功率因數校正電路。（1）通過建立Boost主電路的狀態方程,并利用MATLAB/Simulink仿真模塊建立其仿真模型,利用波形分析驗證了該模型是完全正確的。（2）搭建了APFC的Simulink仿真模型,實現了功率因數校正的目的,同時也滿足了課題的要求,驗證了本次設計的正確性。（3）針對輸入電流尖峰脈沖問題,設計了優化方案,即帶抽頭的三點式電感的主電路拓撲結構,有效地解決了電流尖端脈沖問題。根據仿真結果證明本文設計的單相Boost型功率因數校正電路,完全能夠達到整流、高輸入功率因數、升壓、穩壓的目標。參考文獻[1]楊旭,王兆安.開關電源技術[M].北京:機械工業出版社,2006:253-277,367-400[2]周志敏,周紀海,紀愛華.開關電源功率因數校正電路設計與應用[M].北京:人民郵電出版社,2004[3]楊倩,牛鳴德.有源功率因數校正技術綜述[J].中國西部科技,2007年第9期:29-32[4]K.H.Liu,Y.L.Lin.CurrentWaveformDistortioninPowerCorrectionCircuitsEmployingDiscontinuous-ModeBoostConverters.PESC,1989:825-829[5]王兆安,黃俊.電力電子技術[M].北京:機械工業出版社,2000[6]葉斌.電力電子應用技術[M].北京:清華大學出版社,2006:58-63[7]楊蔭福,段善旭.電力電子裝置及系統[M].北京：清華大學出版社,2006：46-50[8]朱方明,余建剛.有源功率因數校正技術及應用.現代電子技術[J]．2000年第1期:40~42[9]傅小帆.單相Boost有源功率因數校正技術的研究[J].貴州大學碩士學位論文.2006:20-66[10]Domingo，S.L.Simonetti，JavierSebastianandJavierUceda.ControlConditionstoImproveConductedEMIbySwitchingFrequencyModulationofBasicDiscontinuousPWMPreregulator.PESC，1994：1180-1187[11]