[論文設(shè)計]開關(guān)電源APFC電路的研究文獻綜述

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1、開關(guān)電源APFC電路的研究文獻綜述摘要：功率因數(shù)校正技術(shù)是提高功率因數(shù)，減少諧波的重要手段，成為目前電力電子學(xué)領(lǐng)域研究的熱點。本文首先介紹有源功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展及研究現(xiàn)狀，說明有源功率因數(shù)校正的基本原理，對基本變換電路和控制策略進行了比較和分析，在此基礎(chǔ)上，提出了本文研究的對象為平均電流控制的Boost型APFC電路。關(guān)鍵詞：功率因數(shù)；UC3854BN； Boost PFC；平均電流控制隨著電力電子技術(shù)的不斷進步及社會發(fā)展的需要，幾乎所有電器設(shè)備的電源裝置部分都采用開關(guān)電源。開關(guān)電源時為計算機，通信和家用電子設(shè)備等提供直流電源的一種電力電子裝置，具有體積小，效率高，功率密度大等優(yōu)點，在電源

2、領(lǐng)域中已占據(jù)主導(dǎo)地位，獲得了越來越廣泛的應(yīng)用，但由此產(chǎn)生的網(wǎng)側(cè)輸入功率因素降低以及諧波問題等也日趨嚴重。目前，它迫使電力電子技術(shù)領(lǐng)域的研究人員要對這類問題給出有效的解決方案。人們最早是采用電感和電容構(gòu)成的無源網(wǎng)絡(luò)來進行功率因素校正的，但采用這種技術(shù)的設(shè)備體積龐大，對輸入電流的諧波和抑制效果也并不十分理想，隨著電力半導(dǎo)體器件的發(fā)展，開關(guān)變換技術(shù)突飛猛進，20世紀80年代，有源功率因素校正APFC(Aetive Power Factor Correction)應(yīng)運而生。功率因數(shù)校正的目的，就是采用一定的控制方法，使電源的輸入電流跟蹤輸入電壓，功率因數(shù)接近為11。1前言1.1國內(nèi)國外研究現(xiàn)狀節(jié)能和環(huán)

3、境保護是21世紀科技發(fā)展的主題之一，針對電磁污染對人們生活環(huán)境和供電質(zhì)量的影響，許多國家和相關(guān)的國際組織制定了許多相關(guān)標準和頒布了許多相關(guān)法令，以限制電子設(shè)備的諧波污染和提高用電設(shè)備的功率因數(shù)。隨著開關(guān)電源類電子產(chǎn)品的應(yīng)用普及，為了改善供電線路的供電質(zhì)量提高供電線路的功率因數(shù)、保護用電設(shè)備、世界上許多國家制定了相應(yīng)的技術(shù)標準，用以限制諧波電流的含量。例如IEC 5552、IEC61000-3-2、EN60555-2等標準，它們規(guī)定了允許用電電器產(chǎn)生的最大諧波電流。我國于1994年頒布了GB/T145941993電能質(zhì)量 公用電網(wǎng)諧波標準，也對用電電器允許產(chǎn)生的最大諧波電流作出了規(guī)定。歐共體的8

4、9/336/EEC指令規(guī)定從1996年1月1日起，所有進入歐共體市場的電器、電子產(chǎn)品均需符合EEC指令的要求，否則不允許進入歐共體市場。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）頒布了有關(guān)EMC法規(guī)，并進行這方面的管理。對任何要出口到美國的通信設(shè)備、音視頻設(shè)備、計算機、醫(yī)療設(shè)備等必須取得美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）的認可，否則就被視為非法，在日本也有類似的規(guī)定。目前，越來越多的國家已把電磁兼容（EMC）標準作為電子產(chǎn)品中必備的或產(chǎn)品性能的評價依據(jù)。隨著電子電器設(shè)備的高速化、數(shù)字化，特別是歐共體根據(jù)89/336/EEC指令從1996年一月開始要強制執(zhí)行EMC標準，在世界范圍內(nèi)掀起了對電子電器產(chǎn)品EMC的研究、

5、學(xué)習(xí)熱潮。為了適應(yīng)我國加入WTO后與世界接軌的需要，2002年我國出臺了CCC強制性認證制度的，把電磁兼容性能作為衡量電子產(chǎn)品安全的重要技術(shù)指標之一，從此電子產(chǎn)品的電磁兼容設(shè)計問題成為了中國電子工程技術(shù)人員所關(guān)注的焦點。目前世界上許多大的集成電路制造公司紛紛推出了用于有源功率因數(shù)校正用集成電路控制芯片。例如美國的德州儀器（TI）公司、安美森（Onsemi）公司、Fairchild公司、凌特（Linear）公司、國際整流器（IR）公司、意法SGS-THOMSON(ST）半導(dǎo)體公司和德國的英飛（Infineon）公司等都紛紛推出了許多有源功率因數(shù)校正用控制集成電路。它們具有控制特性優(yōu)良、使用方便的

6、優(yōu)點。同時有的公司，如Onsemi公司、ST公司和Infineon公司等為了方便用戶使用它們所推出的有源功率因數(shù)校正用集成電路，還推出了有關(guān)的計算機輔助設(shè)計軟件，這些計算機輔助設(shè)計軟件有的是基于Windows的圖形化操作界面（如ST公司推出的有源功率因數(shù)校正電路的計算機輔助設(shè)計工具），有的是基于Microsoft的Excell設(shè)計表格（如Onsemi和Infineon公司推出的有源功率因數(shù)校正電路設(shè)計用計算機輔助設(shè)計工具），它們的共同特點是使用方便和直觀，極大的方便了用戶的有源功率因數(shù)校正電路的設(shè)計4。1.2 APFC技術(shù)的研究熱點近年來，APFC技術(shù)的研究熱點主要集中在以下幾個方面：(1)軟

7、開關(guān)技術(shù)的應(yīng)用。為了減小變換器體積，提高開關(guān)頻率，降低開關(guān)損耗，將DC-DC變換器中的軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用到APFC變換器中。此舉還可以減小開關(guān)管和二極管高頻開關(guān)導(dǎo)致的EMI。(2)新的控制方法和控制方式。針對APFC變換器提出的一些新的控制方法，如單周期控制、滑模控制、非線性載波控制等等?？梢院喕刂七^程，提高控制性能。(3)APFC電路的建模與仿真研究。(4)三相APFC的拓撲和控制方式的研究。主要集中在如何簡化三相APFC變換器的主電路，各相之間的解耦控制，以及控制方式的簡化。(5)單片機和DSP控制的有源功率因數(shù)校正技術(shù)?？傊杀镜?、結(jié)構(gòu)簡單、容易實現(xiàn)，并且具有高輸入功率因數(shù)、高效率、低E

8、MI的APFC變換器是研究人員追求的最終目標。2APFC技術(shù)研究綜述2.1 APFC技術(shù)的主電路拓撲在前面已經(jīng)談到，功率因數(shù)校正技術(shù)的目的從本質(zhì)上來講是要使用電設(shè)備的輸入端口針對交流電網(wǎng)呈現(xiàn)“純阻性”，使輸入電流與輸入電壓始終成正比。要用APFC技術(shù)來實現(xiàn)這一目的，原則上都必須用電感和電容組成一定的LC拓撲網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時利用功率開關(guān)管的開啟和關(guān)斷特性，使LC網(wǎng)絡(luò)在不同的拓撲結(jié)構(gòu)之間來回變化即功率開關(guān)管在開啟時LC網(wǎng)絡(luò)為一種拓撲結(jié)構(gòu)，而功率開關(guān)管在關(guān)斷時LC網(wǎng)絡(luò)為另外一種拓撲結(jié)構(gòu)。這樣，當LC網(wǎng)絡(luò)在不同的拓撲結(jié)構(gòu)之間來回變化時，一方面可以實現(xiàn)能量的傳輸(DC-DC轉(zhuǎn)換)，另一方面可以實現(xiàn)對輸入電

9、流的控制(使輸入電流與輸入電壓始終成正比)，以實現(xiàn)功率因數(shù)校正的目的。電力電子技術(shù)中的六種基本變換器Buck、Boost、Buck-Boost、Zeta,、Sepic和Cuk在原理上都可以構(gòu)成APFC電路，從拓撲結(jié)構(gòu)上來說，Buck、Boost兩種變換器最為基本，而其它的變換器結(jié)構(gòu)都是由這兩種基本結(jié)構(gòu)演變而來的。下面就Buck、Boost、Buck-Boost和Cuk這四種基本變換器作一簡單介紹7。2.1.1 Buck變換器Buck型變換器，也稱降壓變換器，、串聯(lián)開關(guān)穩(wěn)壓器或三端開關(guān)型降壓穩(wěn)壓器，其基本電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，由開關(guān)管VT，二極管VD，變換電感L和蓄能電容C組成。工作原理是

10、：在開關(guān)VT導(dǎo)通時，輸入電源通過L平波和C濾波后向負載提供電流；當VT關(guān)斷后，L通過二極管續(xù)留，保持負載電流連續(xù)。其輸入和輸出電壓極性相同，輸出電壓總小于輸入電壓，數(shù)量關(guān)系為：，其中Uo為輸出電壓，Ui為輸入電壓，ton為開關(guān)管一周期內(nèi)的導(dǎo)通時間，T為開關(guān)的導(dǎo)通周期。 圖2-1Buck變換電路由電路原理可知，Buck變換器只能實現(xiàn)降壓功能，并且電源輸入電流不連續(xù)，因為當功率開關(guān)管VT關(guān)斷時，電源Ui與LC拓撲網(wǎng)絡(luò)之間相互隔離。這一方面限制了變換器的轉(zhuǎn)換功率，另一方面使得輸入電流的紋波較大，在一定程度上增加了對濾波電路的要求。因此Buck變換器并不適宜于直接用作APFC變換級。2.1.2 Boo

11、st變換器Boost變換器又名升壓變換器，并聯(lián)開關(guān)電路或三端開關(guān)型升壓穩(wěn)壓器。其基本電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-2所示，也是由開關(guān)VT，二極管VD，變換電感L和蓄能電容C組成。工作原理是：在VT導(dǎo)通時，電流通過L平波，輸入電源對L充電。當VT關(guān)斷時，電感L及電源向負載放電，輸出電壓將是輸入電壓加上輸入電源電壓，因而有升壓作用。其輸入和輸出電壓極性相同，輸出電壓總大于輸入電壓，數(shù)量關(guān)系為：，。這種電路的優(yōu)點是輸入電流完全連續(xù)，并且在整個輸入電壓的正弦周期都可以調(diào)制，因此可獲得很高的功率因數(shù)；電感電流即為輸入電流，容易調(diào)節(jié)；開關(guān)管門極驅(qū)動信號地與輸出共地，驅(qū)動簡單；輸入電流連續(xù)，開關(guān)管的電流峰值較小，對輸

12、入電壓變化適應(yīng)性強，適用于網(wǎng)壓變化特別大的場合。圖2-2Boost變換電路其主要缺點為輸出電壓必須大于輸入電壓的最大值，所以輸出電壓比較高；不能利用開關(guān)管實現(xiàn)輸出短路保護。但PF值高，總諧波失真（THD）小，效率高，。適用于75W2000W功率范圍的應(yīng)用場合，應(yīng)用最為廣泛。2.1.3 Buck-Boost變換器Buck-Boost變換器又名降壓升壓變換器，或反號變換器，主電路的元件也是由開關(guān)管VT，二極管VD，電感L，電容C等構(gòu)成。輸出電壓的極性與輸入電壓相反。它是由Buck變換器后面串接一個Boost變換器演變而來，基本電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，可以實現(xiàn)升壓或降壓的變化。工作原理是：在開關(guān)

13、管VT導(dǎo)通時，電流流過電感L，L儲存能量。在VT關(guān)斷時，電感向負載放電，同時向電容充電。數(shù)量關(guān)系為：，。圖2-3 Buck-Boost變換電路該電路的優(yōu)點有：即可對輸入電壓升壓，又可以降壓，因此在整個輸入正弦周期都可以連續(xù)工作；該電路輸出電壓選擇范圍較大，可根據(jù)后級的不同的要求設(shè)計；利用開關(guān)管可以實現(xiàn)輸出短路保護。該電路的主要缺點有：開關(guān)管所受的電壓為輸入電壓與輸出電壓之和，因此開關(guān)管的電壓應(yīng)力較大；由于每個開關(guān)周中，只有在開關(guān)管導(dǎo)通時才有輸入電流，因此峰值電流較大；開關(guān)管門極驅(qū)動信號地與輸出地不同，驅(qū)動比較復(fù)雜；輸出電壓極性與輸入電壓極性相反，后級逆變電路較難設(shè)計。用作APFC變換級時，其效

14、率和輸出功率都比不上單一的Boost型APFC變換器，一般只應(yīng)用在中小輸出功率的場合。2.1.4 Cuk變換器1980年前后，美國加洲理工學(xué)院的Slobodna Cuk進行了一系列Boost-Buck串聯(lián)變換器的研究，并不斷完善，終于完成了以他的名字命名的變換器，即Cuk變換器。其基本思路是把Boost和Buck變換器串聯(lián)起來進行演變，因而Cuk變換器又名Boost-Buck串聯(lián)變換器,其基本電路拓撲結(jié)構(gòu)如圖2-4所示?？梢詫崿F(xiàn)升壓或降壓的變化。圖2-4 Cuk變換電路Cuk變換器保持了Boost變換器輸入電流可以連續(xù)的特點，通過增加電感L1和L2的值，可以使得交流紋波電流的值很小，這一特點使

15、得它在應(yīng)用中常常不需要附加抗電磁干擾(EMI)的濾波器，使體積小型化，同時，它和Buck-Boost變換器一樣，可以實現(xiàn)降壓或升壓輸出。另外，Cuk變換器的顯著特點是，它雖然不用變壓器，但其特性非常接近一個匝比可調(diào)的DC-DC變換器。能量的儲存和傳遞，同時在兩個開關(guān)周期和兩個環(huán)路中進行。這種對稱性是這種變換器高效率的原因所在。前面講過了四種基本型DC-DC變換元件，Cuk電路比前三者復(fù)雜，但它能達到輸入/輸出電流連續(xù)之效。而且通過將輸入/輸出電感耦合，可以達到“零紋波”達到體積小型化。另外，前三種是用電感作為傳送能量的元件，最后一種Cuk除了用電感外還可以用電容作為傳送能量的元件。因此對這一電

16、容的質(zhì)量要求較高。也正是因為如此盡管Cuk變換器有諸多優(yōu)點，但在實際應(yīng)用中并不廣泛。2.2 APFC電路的工作模式根據(jù)電路輸入電流檢測和控制方式，APFC電路的工作模式可分成兩種：電感電流連續(xù)（Continue Current Mode,CCM）和電感電流不連續(xù)工作(Discontinue CurrentMode,DCM)兩大類。DCM控制的方法又稱為電壓跟蹤法，是APFC控制中一種簡單而又實用的方法，應(yīng)用較為廣泛。DCM控制方法的一個基本特點就是電感能量的完全傳輸，即在每一個開關(guān)周期中，轉(zhuǎn)換電感都必須把從電源中獲得的能量完全轉(zhuǎn)移到蓄能電容(輸出電容)中去。DCM模式的輸入電流自動跟蹤電壓，功

17、率管實現(xiàn)零電流開通，不承受二極管的反向恢復(fù)電流。但是由于變換器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式下，需要較大的輸入濾波器。開關(guān)不僅要導(dǎo)通較大的通態(tài)電流，而且將關(guān)斷更大的峰值電流并引起很大的關(guān)斷損耗，使開關(guān)的使用壽命降低，同時還會產(chǎn)生嚴重電磁干擾，DCM模式可以采用恒頻控制、變頻控制、等面積控制等控制方法，這種工作模式的APFC一般功率小于200W。CCM模式的電感電流連續(xù)，輸入電流紋波和輸出電流紋波小、EMI小，濾波器體積小，電流峰值比DCM模式要小，器件的應(yīng)力相對也更小。但是它的控制方法比較復(fù)雜，開關(guān)損耗較大，制作成本也比較高，通常需要使用乘法器，采用電流閉環(huán)控制，且開關(guān)管工作于變頻或PWM控制方法。這種

18、工作模式一般適用于大功率、大電流的產(chǎn)品中。2.3 APFC技術(shù)的控制策略2.3.1 APFC技術(shù)的經(jīng)典控制策略按照測量控制輸入電流方法的不同，APFC可以有多種控制策略，在電流連續(xù)情況下，經(jīng)典控制策略中又主要有三種基本的控制方式：峰值電流控制，滯環(huán)電流控制，和平均電流控制。表2-1給出這三種方法的基本特點。表2-1常用的三種APFC控制方法峰值電流控制方式如下圖2-5所示，控制開關(guān)管Tr的電流Is被檢測，所得信號IsRi送入比較器。電流基準值由乘法器輸出Z提供，Z=XY。X是輸出電壓/H與基準電壓Vref之間的誤差信號，Y是電壓檢測值，因此電流基準為雙半波正弦電壓，使輸入電感電流的峰值包絡(luò)線跟

19、蹤輸入電壓Vdc的波形。在上述系統(tǒng)中存在兩種頻率的電流：基準電流為工頻，被控制調(diào)節(jié)的輸入電流為高頻。在該控制方式下控制開關(guān)管在恒定的時鐘周期導(dǎo)通，當輸入電流上升到基準電流時，控制開關(guān)管關(guān)斷。圖2-5 峰值電流法控制，Boost功率因數(shù)校正器原理圖。滯環(huán)電流控制方式如下圖2-6所示，在該控制方式下，控制開關(guān)管導(dǎo)通時電感電流上升，上升到上限值時，滯環(huán)比較器輸出低電平，控制開關(guān)管關(guān)斷，電感電流下降；下降到下限值時，滯環(huán)比較器輸出高電平，控制開關(guān)管導(dǎo)通，電感電流上升，如此周而復(fù)始地工作。滯環(huán)電流控制和峰值控制的區(qū)別在于：前者檢測的電流是電感電流，并且控制電路增加了一個滯環(huán)邏輯控制器。所檢測的電壓經(jīng)分壓

20、后，產(chǎn)生兩個基準電流：上限值和下限值。當電感電流達到基準下限值Imin時，控制開關(guān)管導(dǎo)通，電感電流上升；當電感電流達到基準上限值Imax時，控制開關(guān)管關(guān)斷，電感電流下降。圖2-6 滯環(huán)電流法控制，Boost功率因數(shù)校正器原理圖平均電流控制方式如下圖2-7所示。平均電流控制的主要特點是用電流誤差放大器CA代替電流比較器，以輸入整流電壓和電壓誤差放大輸出信號的乘積為電流基準；并且電流環(huán)調(diào)節(jié)輸入電流的平均值，使與輸入整流電壓同相位，并接近正弦波。輸入電流信號被直接檢測，與基準電流比較后，其高頻分量的變化通過電流誤差放大器，被平均化處理。放大后的平均電流誤差與鋸齒波斜坡比較后給控制開關(guān)管Tr驅(qū)動信號，

21、并決定了其應(yīng)有的占空比，于是電流誤差迅速而精確地被校正。由于電流環(huán)有較高的增益-帶寬，使跟蹤誤差產(chǎn)生的畸變小于1%，容易實現(xiàn)接近1的功率因數(shù)。圖2-7平均電流法控制功率因數(shù)校正器原理圖在該控制方式下，電感電流信號與鋸齒波信號相加。當兩信號之和超過基準電流時，控制開關(guān)管關(guān)斷，當其和小于基準電流時，控制開關(guān)管導(dǎo)通。圖2-8給出了平均電流控制時電感電流波形圖。圖中實線為電感電流，虛線為平均電流。圖2-8平均電流法控制時電感電流波形圖平均電流控制的特點是：工頻電流的峰值是高頻電流的平均值，因而高頻電流的峰值比工頻電流的峰值高。功率因數(shù)較高，THD較小，對噪聲不敏感，電感電流峰值與平均值之間的誤差小，原

22、則上可以檢測任意拓撲、任意支路的電流，比如，除了可檢測Boost變換器的電流外，也可檢測Buck、Flyback變換器的輸入電流，或Boost、Flyback變換器的輸出電流等。并且兩種工作模式CCM和DCM都可以用；開關(guān)頻率固定適用于中大功率應(yīng)用場合。以上的三種控制方法都可有效地實現(xiàn)Boost電路在電流連續(xù)狀態(tài)下的APFC功能，其中平均電流控制利用了乘法器校正技術(shù)，具有電流及電壓雙環(huán)控制、噪聲抑制能力強、無須斜坡補償?shù)葍?yōu)點，是目前APFC中應(yīng)用最多的一種控制策略。2.3.2 APFC技術(shù)的新型控制策略傳統(tǒng)連續(xù)電流模式下需要采用乘法器以及檢測輸入電壓和電感電流，控制電路變得復(fù)雜，乘法器也增加了

23、電流的諧波分量，而且動態(tài)響應(yīng)較慢，抗干擾能力較差。因此，近年來提出了許多新型的非線性控制策略，并逐漸開始得到應(yīng)用。（1）.非線性載波控制(NLC)非線性載波控制不需要采樣電壓，內(nèi)部電路作為乘法器，即載波發(fā)生器為電流控制環(huán)產(chǎn)生時變參考信號。這種控制方法工作在CCM模式，可用于Flyback,Cuk,Boost等拓撲中，其調(diào)制方式有脈沖前沿調(diào)制和脈沖后沿調(diào)制。（2）.單周期控制技術(shù)(OCC)單周期控制是一種非線性控制技術(shù)。該控制方法的突出特點是，無論是穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)，它都能保持受控量(通常為斬波波形)的平均值恰好等于或正比于給定值，即能在一個開關(guān)周期內(nèi)，有效地抑制電源側(cè)的擾動，既沒有穩(wěn)態(tài)誤差，也沒有

24、暫態(tài)誤差，這種控制技術(shù)可廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的場合，不必考慮電流模式控制中的人為補償。（3）.電荷泵控制技術(shù)(CC)利用電流互感器檢測開關(guān)管的開通電流，并給檢測電容充電，當充電電壓達到控制電壓時關(guān)閉開關(guān)管，并同時放掉檢測電容上的電壓，直到下一個時鐘脈沖到來使開關(guān)管再次開通，控制電壓與電網(wǎng)輸入電壓同相位，并按正弦規(guī)律變化。由于控制信號實際為開關(guān)電流在一個周期內(nèi)的總電荷，因此稱為電荷控制方式。3結(jié)語通過對APFC控制技術(shù)的理論研究，系統(tǒng)地比較了APFC主電路拓撲的各種形式及特點，闡述了APFC電路的工作模式，分析比較了AFPC技術(shù)的控制策略，根據(jù)Boost變換電路的特點與要求，明確了要將平均電流控

25、制的功率因數(shù)校正思路應(yīng)用到Boost變換器的控制中。參考文獻1萬遇良電力電子技術(shù)的發(fā)展趨勢及應(yīng)用M電工電能新技術(shù)，1995，14(1)：12152陳道煉，嚴仰光有源功率因數(shù)校正技術(shù)及其應(yīng)用J電工技術(shù)雜志，1997，(2)：463 嚴百平，劉健，程紅麗不連續(xù)導(dǎo)電模式高功率因數(shù)開關(guān)電源M科學(xué)出版社，2002：18254劉希禹開關(guān)電源的功率因數(shù)和輸入諧波電流R郵電設(shè)計技術(shù)，1996，3(2)：25295謝章貴單相橋式整流濾波負載的功率因數(shù)分析D第十三屆全國電源技術(shù)年會論文集，1999：4084096 李長明EMI濾波對開關(guān)電源功率因數(shù)的影響R通信電源技術(shù)，1997，f3)：147史立生開關(guān)電源功率因

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