基于Matlab的單相電壓型PWM整流電路仿真與設(shè)計(jì)

畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）-第3章功率因數(shù)校正技術(shù)3.1功率因數(shù)校正簡介3.1.1發(fā)展歷史采用乘法器的 PFC電路， 其中特別是 BoostPFC電路， 它的顯著特點(diǎn)是電路工作在連續(xù)導(dǎo)電模式 （CCM），功率因數(shù)校正電路可以獲得較大的功率轉(zhuǎn)換容量， 適合于200W以上逆變器應(yīng)用，是一種技術(shù)比較成熟的 PFC電路。要提高整流器的輸入功率因素有兩個(gè)途徑：一是輸入電流正弦化，二是使輸入電流與輸入電壓同相位。直流濾波電容的值越大 wRLCd的值就越大，功率因素就越低。所以，為了提高整流器的輸入功率因素， 和電壓跟隨 PFC電路相同， 必須用有源校正電路把整流器與直流濾波電容隔開，這就要求有源校正電路必須是 DC/DC變換器，為了保證輸入電流正弦化并跟蹤輸入電壓，使它們的波形相同，相位差等于零，有源校正電路又必須是可控的；為了更有效地使輸入電流正弦化，使輸出功率差與輸入功率在每一瞬間都相等，有源校正電路又必須工作在高頻開關(guān)狀態(tài)。滿足上述這些要求的有源校正電路，通過設(shè)計(jì)， 幾乎所有類型的 DC/DC開關(guān)變流器都可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。 例如 Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic、Zeta變換器等。這就是說：所謂的有源功率因數(shù)校正電路實(shí)際上就是就是接在整流器與直流濾波電容之間的， 采用PWM控制的 Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk,Sepic、Zeta等DC/DC變流器。對于乘法器控制的有源校正電路，由于要對輸入電流的波形和相位進(jìn)行控制，故控制電路必須加入電網(wǎng)側(cè)輸入電流反饋的內(nèi)環(huán)：為了對輸出電壓進(jìn)行控制，又必須加入直流輸出電壓反饋的外環(huán)。為了使輸入電流在波形和相位上很好地跟蹤輸入電壓，控制電路又必須工作在高頻 PWM狀態(tài)，這樣就可以得到乘法器控制的 PFC電路的原理圖， 如圖3-1所示，用這樣構(gòu)成的有源功率因數(shù)校正整流器其網(wǎng)側(cè)輸入功率因數(shù)可以提高到接近于1，總的輸入電流波形畸變因素接近于 1，諧波含量< 3%。直流輸出電壓也可以維持在一定的范圍內(nèi)。開關(guān)頻率越高，效果越明顯，當(dāng)開關(guān)頻率 Fs<249HZ時(shí)，即可以使輸入功率因數(shù) PF>0.95。功率因數(shù)校正 （PFC）技術(shù)誕生與 20世紀(jì)80年代，它采用的是高頻開關(guān)工作方式，具有體積小，重量輕，效率高，輸入功率因素接近１的有點(diǎn)，因而受到了人們的關(guān)注。但20世紀(jì)80年代的功率因素校正技術(shù)大部分是寄予 Boost電路原理。所以說 20世紀(jì)80年代是Boost功率因素校正年代。這個(gè)階段的注意特點(diǎn)是：校正器采用的是“乘法器（Multiplier）原理進(jìn)行控制， 校正器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式（ CCM）可以獲得較大的功率轉(zhuǎn)換容量。但是控制比較復(fù)雜，不適合 200Ｗ以下小容量使用： 20世紀(jì)80年代后期又針對小容量整流器提出了電壓跟隨器校正技術(shù)， 校正器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式 （DCM），使控制電路大大簡化，很適合 200Ｗ以下小容量整流器使用，一般不能用在較大功率整流器中。20世紀(jì)90年代是功率因數(shù)校正技術(shù)大發(fā)展的階段，在這一階段，功率因數(shù)校正技術(shù)的理論日趨完善，校正技術(shù)與軟開關(guān)技術(shù)相結(jié)合，進(jìn)一步提高了功率因數(shù)校正技術(shù)電路的性能。

3.1.2BoostPFC電路與 Buck電路的對偶性整流器的負(fù)載是逆變器，逆變器有電壓型和電流型兩種。考慮到這種需要和有源校正DC/DC變換器的輸入特點(diǎn)，有源校正電路從輸入結(jié)構(gòu)形式來分，又可以分為電感輸入型和電容輸入型兩種。所謂電感輸入型，就是用電感 L作為輸入的電路，這類電路的典型代表是 Boost有源功率因素校正電路，它主要用于電壓型逆變器。這種電路的特點(diǎn)是電路連續(xù)，缺點(diǎn)是只能升壓不能降壓、啟動及過載沖擊大、保護(hù)困難、空載性能差，所謂電容輸入型，就是用電容 C作為輸入的電路，這類電路的典型代表是 Buck有源功率因數(shù)校正 dialup，它主要用于電流型逆變器。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是可靠性高、抗短路能力強(qiáng)，缺點(diǎn)是電路復(fù)雜、電流不連續(xù)、只能降壓不能升壓。電感輸入型與電容輸入型PFC電路的組成如圖 3-2所示，其中圖 a為電感輸入型，圖 b為電容輸入型，這兩種電路是對偶的。下面給出了電感輸入型和電容輸入型 PFC電路的對偶性對照表，以供參考

表一電感輸入型與電容輸入型 PFC電路的對偶性對照電路項(xiàng)目電感輸入型電容輸入型電路BoostBuck電源UI儲能LC直流濾波CdLd輸出Ud0Id開關(guān)工開關(guān)管開通開關(guān)管關(guān)斷作方式開關(guān)管關(guān)斷開關(guān)管開通PWMCCM（電流滯環(huán) ）CCM（電壓滯環(huán) ）控制方式DCM（電感電流斷續(xù) ）DCM（電容電壓斷續(xù) ）實(shí)際上，對于 Buck有源校正電路的大量工作研究工作都是以電壓源為輸入，這是因?yàn)殡娋W(wǎng)本身是一個(gè)電壓源，同時(shí)電壓型逆變器應(yīng)用也有比較多的原因。在作為電壓源輸出時(shí)，對于單相高功率因數(shù)應(yīng)用是有局限的，無論采用連續(xù)或斷續(xù)控制，在交流輸入電壓低于輸出電壓時(shí)，輸入電流是不存在的，這樣，輸入功率因數(shù)因電流而難以提高，對于圖 3-1所示的原理框圖中，六種 DC/DC變換器電路都可以互相采用，但是應(yīng)用較多的是 BoostPFC電路，這是因?yàn)樗木W(wǎng)側(cè)輸入電流總是連續(xù)的，而且由于儲能電感常常接在輸入端，所以控制電感電流按正弦變化就可以提高整流器的功率因數(shù)。這種控制電感電流的方式就是通常所說的電流模式控制方式。目前電流模式控制方式有兩種，即“峰值電流”模式控制和“平均電流”模式控制。仔細(xì)研究發(fā)現(xiàn)，峰值電流模式對功率因數(shù)校正整流器的動態(tài)性能有不利的影響，而平均電流模式則能成功地解決上述問題。這種控制思想對 Buck和Buck-Boost電路也是適合的。URla）URla）UBoostPFC電路iRLUBoostPFC電路iRL乘法器 Udo控制器b)3-2電感輸入型與電容輸入型 PFC電路a)電感輸入型 b)電容輸入型3.1.3PFC技術(shù)分類及研究方向功率因數(shù)校正技術(shù)有很多分類法， 電網(wǎng)輸入方式可以分為單項(xiàng) PFC電路和三相 PFC電路。就功率因數(shù)校正器本身的結(jié)構(gòu)而言，功率因數(shù)校正器有可以分為兩級式和單級式兩種。如圖3-3所示，其中圖 a是兩級式，即 PFC級和DC/DC級。它們各自都有自己的開關(guān)器件和控制電路。 PFC級主要作用是使線電流跟蹤線電壓，使線電流正弦化，減少諧波對電網(wǎng)的污染，提高輸入功率因數(shù)。 DC/DC級主要用來實(shí)現(xiàn)輸出電壓的快速調(diào)節(jié)。圖b是單級式，即使 PFC和DC/DC級合并，共用一個(gè)開關(guān)管和一套控制電路，同時(shí)實(shí)現(xiàn)對輸入電流的正弦化和對輸出電壓的調(diào)節(jié)。由于控制電路主要是用來調(diào)節(jié)輸出電壓，因此輸入電流正弦化的程度就差，但電路要比兩級式簡單很多。根據(jù) PFC即與DC/DC級電流的工作模態(tài)，兩級 PFC又分為四種，即CCM.PFC+DCM.DC/DC CCM.PFC+CCM.DC/DCDCM.PFC-+CCM.DC/DC DCM.PFC+DCM.DC/DC3.1.4PFC技術(shù)分類根據(jù)控制方式，兩級 PFC又可以分為 PWM控制和變頻控制。單級 PFC主要分為Boost和Buck-Boost，Boost又分為兩端模式和三端模式。 BoostPFC的優(yōu)點(diǎn)是輸入電流應(yīng)力小、效率高；而 Buck-BoostPFC輸入電流應(yīng)力較大，但儲能電容電壓較低，功率因素也高一些，圖 3-3為兩級和單級變換器。

從開關(guān)型式來分， PFC電路又可分為硬開關(guān)電路和軟開關(guān)電路 （ZCS或ZVS）兩種不管是單相 PFC或是三相 PFC電路， 研究表明。 所有的 DC/DC開關(guān)變換器如 Buck、Boost、CukBuck-Boost、Sepic、Zeta等，都可以用于功率因數(shù)校正。這些變換器工作（CCM）,Multiplier）式控制電路；工作于不連續(xù)導(dǎo)電模式時(shí)（ DCM）,應(yīng)用電壓跟VoltageFollwoer）式控制電路。PFC單相或三相輸入PFC控制器DC/DCa）DC/DC控制器PFC單相或三相輸入PFC控制器DC/DCa）DC/DC控制器b）3-3兩級式和單級式 PFC變換器方框圖a）兩級式 b）單級式對于單級 PFC，在DCM導(dǎo)電模式下采用電壓跟蹤方進(jìn)行 PFC時(shí)， 可以直接采用常PWM來調(diào)節(jié)輸出電壓，同時(shí)又可以使輸入 PF=1;而工作在 CCM導(dǎo)電模式的乘法PFC在電壓跟隨器 PFC電路中，變換器工作在 DCM模式中，因此由二極管反向恢200W以下的容量，而工作在 CCM模式的乘法器方式的 PFC卻可以應(yīng)用于 200W以上的容量。近幾年來，又出現(xiàn)了一些新的功率因數(shù)校正技術(shù)得到了人們的認(rèn)可， 如三電平 PFC技術(shù)，磁放大器 PFC和不連續(xù)電容電壓模式 PFC技術(shù)等。應(yīng)用現(xiàn)代高速開關(guān)器件及高頻功率電子電路構(gòu)成的功率因數(shù)校正電路已經(jīng)成為 PFC電路的主流。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展， PFC技術(shù)也在不斷的發(fā)展。從資料上看，近幾年功率因數(shù)校正技術(shù)的研究熱點(diǎn)集中在以下幾個(gè)方面：新電路結(jié)構(gòu)的提出；把DC/DC變換器中的新技術(shù)應(yīng)用到 PFC電路中(如軟開關(guān)技術(shù)、開關(guān)電容功率網(wǎng)絡(luò)等)；新型控制方法以及基于新電路結(jié)構(gòu)的特殊控制方式；單級PFC以及穩(wěn)壓開關(guān)變換器的穩(wěn)定性研究。 現(xiàn)有的功率因數(shù)校正技術(shù)給整流電路設(shè)備帶來的附加成本和氣復(fù)雜性，極大地限制著這一技術(shù)的廣泛應(yīng)用，因此降低成本、結(jié)構(gòu)簡單、容易實(shí)現(xiàn)‘具有軟開關(guān)性能’響應(yīng)速度快、低輸出紋波的單級隔離高功率因數(shù)是目前研究人員追求的目標(biāo)，可以相信，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，功率因數(shù)校正技術(shù)會越來越完善，應(yīng)用也會越來越廣泛。1.5基本的兩種功率因數(shù)校正技術(shù)在20實(shí)際 80年代中期，功率因素校正器的研究以乘法器方式為主，其基本原理如圖3-4所示。圖中 Boost變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式 (CCM),其電感電流就是輸入電流。電感電流被采樣并被控制，使其幅值與輸入電壓相位相同的正弦波參考信號成正比，從而達(dá)到功率因數(shù)趨近 1的校正目的； 乘法器方式 PFC電路還可以根據(jù)輸出電壓反饋信號，利用一個(gè)乘法器電路來控制正弦參考電流信號，從而得到可以調(diào)整的輸入電壓。有關(guān)乘法器型PFC技術(shù)的控制方式可以分為三種：即恒頻控制( Constant-frequencyContro)、l恒誤差帶控制( Constant-tolerance-bandContro)和變差帶控制(l Variable-tolerance-bandControl)?；贐oost變換器、連續(xù)導(dǎo)電模式下的乘法器功率因數(shù)校正電路可以獲得很大的轉(zhuǎn)換容量，在工業(yè)上已得到廣泛應(yīng)用。其控制電路已有單片集成電路實(shí)現(xiàn)，如 MC34262,對這一類功率因數(shù)校正電路的研究方向是研究新的主電路結(jié)構(gòu)和研究各種新的控制技術(shù)，如滑膜 (SlidingMode)控制和單周期( OneCycle)控制等。這種 PFC技術(shù)的特點(diǎn)是：連續(xù)導(dǎo)電模式( CCM)、采用乘法器控制、需要引入多個(gè)反饋方式控制電路復(fù)雜、轉(zhuǎn)換容量大,可用于200W以上的PFC電路。

圖3-4典型的乘法器方式 PFC電路電壓跟隨器功率因數(shù)校正技術(shù)， 為了研究適合 200W以下小功率容量的 PFC電路，20世紀(jì)80年代末，由 Doc、S.D.Freeland首先提出了利用不連續(xù)導(dǎo)電模式（ DCM）進(jìn)行功率因數(shù)校正的概念，出現(xiàn)了功率因數(shù)電壓跟隨器 PFC技術(shù)?！半妷焊S器”這個(gè)詞是首先由 K.H.Liu應(yīng)用到功率因素校正技術(shù)中的?；镜碾妷焊S器 BoostPFC電路如圖 3-5所以。

此電路工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式（ DCM），開關(guān) S由輸出電壓誤差信號控制，開關(guān)周期為常數(shù)。由于電感電流峰值基本上成正比于輸入電壓，因此，輸入電路波形將自然地跟隨輸入電壓波形。實(shí)際上，對于不同的變換器結(jié)構(gòu)，輸入電流波形將會出現(xiàn)不同的程度的畸變， 但這對輸入功率因數(shù)的影響不大。 與乘法器型 PFC電路相比， 電壓跟隨器PFC型電路可以直接采用常規(guī)的 PWM調(diào)節(jié)老控制輸出電壓和同時(shí)獲得接近于 1的輸入功率因數(shù)，因此控制電路簡單，僅需要一個(gè)輸出電壓開關(guān)控制開關(guān)，現(xiàn)有的多數(shù)開關(guān)電源PWM控制集成電路都可以用來作為電壓跟隨器輸出二極管反向恢復(fù)電流而帶來的問題。這種PFCdialup的特點(diǎn)是：變換器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式、采用電壓跟隨器控制，可以直接采用常規(guī)的 PWM調(diào)制，同時(shí)提高輸入功率因素和調(diào)節(jié)輸出電壓， 控制電路簡單，成本低。電壓跟隨器有以下的缺點(diǎn)：只適合200W以下功率容量；輸入電流波形為脈動三角波，因此其前端需加一個(gè)小濾波電容以消除高頻紋波；具有較高的開關(guān)峰值電流，這會帶來較大的開關(guān)關(guān)斷損耗。3.2有源功率因數(shù)校正（ APFC）技術(shù)對電壓跟隨器的研究方向是：采用軟開關(guān)技術(shù)、多導(dǎo)電模式和新的電路結(jié)構(gòu)來提高其性能和提高其動態(tài)響應(yīng)速度等。統(tǒng)的用于電子設(shè)備前端的二極管整流器，作為一個(gè)諧對電壓跟隨器的研究方向是：采用軟開關(guān)技術(shù)、多導(dǎo)電模式和新的電路結(jié)構(gòu)來提高其性能和提高其動態(tài)響應(yīng)速度等。統(tǒng)的用于電子設(shè)備前端的二極管整流器，作為一個(gè)諧波電流源，干擾電網(wǎng)線電壓，產(chǎn)生向四周輻射和沿導(dǎo)線傳播的電磁干擾，導(dǎo)致電源的利用效率下降。近幾年來，為了符合國際電工委員會的諧波準(zhǔn)則，功率因數(shù)校正電路正越來越引起人們的注意。 功率因數(shù)校正技術(shù)從早期的無源電路發(fā)展到現(xiàn)在的有源電路；從傳統(tǒng)的線性控制方法發(fā)展到非線性控制方法，新的拓?fù)浜图夹g(shù)不斷涌現(xiàn)。3.2.1功率因數(shù) （PF）的定義在交流電路中，電壓與電流間的相位差的余弦叫做功率因數(shù)。在數(shù)值上，功率因數(shù)的大小等于有功功率與視在功率的比值。即功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個(gè)系數(shù)，功率因數(shù)低，說明電路用于交變磁場轉(zhuǎn)換的無功功率大。從而降低了設(shè)備的利用率，增加了線路供電損失。3.2.2功率因數(shù)校正交流輸入電源經(jīng)整流和濾波后，非線性負(fù)載使得輸入電流波形畸變，輸入電流呈脈沖波形，含有大量的諧波分量，使得功率因數(shù)很低。由此帶來的問題是：諧波電流污染電網(wǎng)，干擾其他用電設(shè)備；在輸入功率一定的條件下，輸入電流較大，必須增大輸入斷路器和電源線的量；三相四線制供電時(shí)中線中的電流較大，由于中線中無過流防護(hù)裝置，有可能過熱甚至著火。為此，沒有功率因數(shù)校正電路的開關(guān)電源被逐漸限制應(yīng)用。因此，開關(guān)電源必須減小諧波分量，提高功率因數(shù)。提高功率因數(shù)對于降低能源消耗，減小電源設(shè)備的體積和重量，縮小導(dǎo)線截面積，減弱電源設(shè)備對外輻射和傳導(dǎo)干擾都具有重大意義。所以，設(shè)有功率因數(shù)校正電路使功率因數(shù)近于 1的開關(guān)電源得到迅速的發(fā)展。功率因數(shù)校正，就是將畸變電流校正為正弦電流，并使之與電壓同相位，從而使功率因數(shù)接近于 1。3.2.3功率因數(shù)校正實(shí)現(xiàn)方法要提高功率因數(shù)有兩個(gè)途徑， 即使輸入電壓、 輸入電流同相位； 使輸入電流正弦化。利用功率因數(shù)校正技術(shù)可以使交流輸入電流波形完全跟蹤交流輸入電壓波形， 使輸入電流波形呈純正弦波，并且和輸入電壓同相位，此時(shí)整流器的負(fù)載可等效為純電阻。功率因數(shù)校正電路分為有源和無源兩類。無源校正電路通常由大容量的電感、電容組成。雖然無源功率因數(shù)校正電路得到的功率因數(shù)不如有源功率因數(shù)校正電路高，但仍然可以使功率因數(shù)提高到 0.7~0.8，因而在中小功率電源中被廣泛采用。有源功率因數(shù)校正電路自上世紀(jì) 90年代以來得到了迅速推廣。它是在橋式整流器與輸出電容濾波器之間加入一個(gè)功率變換電路，使功率因數(shù)接近 1。有源功率因數(shù)校正電路工作于高頻開關(guān)狀態(tài)，體積小、重量輕，比無源功率因數(shù)校正電路效率高。本文主要討論有源功率因數(shù)校正方法。3.2.4有源功率因數(shù)校正方法分類常用有源功率因數(shù)校正電路分為連續(xù)電流模式控制型與非連續(xù)電流模式控制型兩類。其中，連續(xù)電流模式控制型主要有升壓型 (Boost)、降壓型(Buck)、升降壓型 (BuckBoost)之分 ;非連續(xù)電流模式控制型有正激型 (Forward)、反激型 (Flyback)之分。升壓型 PFC電路升壓型PFC主電路如圖所示，其工作過程如下：當(dāng)開關(guān)管 Q導(dǎo)通時(shí)，電流 IL流過電感線圈 L，在電感線圈未飽和前，電流線性增加，電能以磁能的形式儲存在電感線圈中，此時(shí)，電容 C放電為負(fù)載提供能量 ;當(dāng)Q截止時(shí)，L兩端產(chǎn)生自感電動勢 VL，以保持電流方向不變。這樣， VL與電源VIN串聯(lián)向電容和負(fù)載供電。圖3-6升壓型PFC電路這種電路的優(yōu)點(diǎn)是：( 1)輸入電流完全連續(xù)，并且在整個(gè)輸人電壓的正弦周期內(nèi)TOC\o"1-5"\h\z都可以調(diào)制，因此可獲得很高的功率因數(shù) ;(2)電感電流即為輸入電流，容易調(diào)節(jié) ;(3)開關(guān)管柵極驅(qū)動信號地與輸出共地，驅(qū)動簡單 ;(4)輸入電流連續(xù)，開關(guān)管的電流峰值較小，對輸入電壓變化適應(yīng)性強(qiáng)，適用于電網(wǎng)電壓變化特別大的場合。 主要缺點(diǎn)是輸出電壓比較高且不能利用開關(guān)管實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)。降壓型PFC電路降壓型 PFC電路如圖所示，其工作過程如下：當(dāng)開關(guān)管 Q導(dǎo)通時(shí)，電流 IL流過電感線圈，在電感線圈未飽和前，電流 IL線性增加;當(dāng)開關(guān)管 Q關(guān)斷時(shí)， L兩端產(chǎn)生自感電動勢，向電容和負(fù)載供電。由于變換器輸出電壓小于電源電壓，故稱為降壓變換器。圖3-7降壓型 PFC電路（1）這種電路的主要優(yōu)點(diǎn)是：開關(guān)管所受的最大電壓為輸人電壓的最大值，因此開關(guān)管的電壓應(yīng)力較小 ;當(dāng)后級短路時(shí)，可以利用開關(guān)管實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)。（2）該電路的主要缺點(diǎn)是：由于只有在輸人電壓高于輸出電壓時(shí)，該電路才能工作，所以在每個(gè)正弦周期中，該電路有一段因輸人電壓低而不能正常工作，輸出電壓較低，在相同功率等級時(shí)，后級 DC/DC變換器電流應(yīng)力較大 ;開關(guān)管門極驅(qū)動信號地與輸出地不同，驅(qū)動較復(fù)雜，加之輸人電流斷續(xù)，功率因數(shù)不可能提高很多，因此很少被采用。升降壓型 PFC電路升降壓型 PFC電路如圖所示，其工作過程如下：當(dāng)開關(guān)管 Q導(dǎo)通時(shí)，電流 IIN流過電感線圈， L儲能，此時(shí)電容 C放電為負(fù)載提供能量 ;當(dāng)Q斷開時(shí)， IL有減小趨勢， L中產(chǎn)生的自感電動勢使二極管 D正偏導(dǎo)通， L釋放其儲存的能量， 向電容 C和負(fù)載供電。圖3-8升降壓型 PFC電路（1）這種電路的主要優(yōu)點(diǎn)是：開關(guān)管所受的最大電壓為輸人電壓的最大值，因此開關(guān)管的電壓應(yīng)力較小 ;當(dāng)后級短路時(shí)，可以利用開關(guān)管實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)。（2）該電路的主要缺點(diǎn)是：由于只有在輸人電壓高于輸出電壓時(shí)，該電路才能工作，所以在每個(gè)正弦周期中，該電路有一段因輸人電壓低而不能正常工作，輸出電壓較低，在相同功率等級時(shí)，后級 DC/DC變換器電流應(yīng)力較大 ;開關(guān)管門極驅(qū)動信號地與輸出地不同，驅(qū)動較復(fù)雜，加之輸人電流斷續(xù)，功率因數(shù)不可能提高很多，因此很少被采用。正激型 PFC電路正激型 PFC電路如圖所示，當(dāng)開關(guān)管 Q導(dǎo)通時(shí)，二級管 D1正偏導(dǎo)通，電網(wǎng)向負(fù)載提供能量， 輸出電感 L儲能。當(dāng)Q關(guān)斷時(shí)， L中儲存的能量通過續(xù)流二極管 D2向負(fù)載釋放。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是功率級電路簡單，缺點(diǎn)是要增加一個(gè)磁復(fù)位回路來釋放正激期間電感中的儲能。3-9正激型 PFC電路反激型PFC電路反激型PFC電路如圖所示， 當(dāng)開關(guān)管 Q導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓加到高頻變壓器 B1的原邊繞組上， 由于B1副邊整流二極管 D1反接，副邊繞組中沒有電流流過， 此時(shí)，電容C放電向負(fù)載提供能量。當(dāng)開關(guān)管 Q關(guān)斷時(shí)，繞組上的電壓極性反向，二極管 D1正偏導(dǎo)通，儲存在變壓器中的能量通過二極管 D1向負(fù)載釋放。這種電路的優(yōu)點(diǎn)是功率級電路簡單，且具有過載保護(hù)功能。圖3-10反激型PFC電路3.2.5功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展趨勢目前研究的兩級功率因數(shù)校正，一般都是指 BoostPFC前置級和后隨 DC／DC功率變換級。如圖 3-11所示。對 BoostPFC前置級研究的熱點(diǎn)有兩個(gè)，一是功率電路進(jìn)一步完善，二是控制簡單化。如果工作在 PWM硬開關(guān)狀態(tài)下， MOSFET的開通損耗和二極管的反向恢復(fù)損耗都會相當(dāng)大，因此，最大的問題是如何消除這兩個(gè)損耗，相應(yīng)就有許多關(guān)于軟開關(guān) Boost變換器理論的研究，現(xiàn)在具有代表性的有兩種技術(shù)，一是有源軟開關(guān)，二是無源軟開關(guān)即無源無損吸收網(wǎng)絡(luò)。

3-11單級電路3-11單級電路有源軟開關(guān)采用附加的一些輔助開關(guān)管和一些無源的電感電容以及二極管， 通過控制主開關(guān)管和輔助開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)序來實(shí)現(xiàn) ZVS或者 ZCS。比較成熟的有 ZVT—Boost，ZVS—Boost，ZCS—Boost電路等。雖然有源軟開關(guān)能有效地解決主開關(guān)管的軟開關(guān)問題，但輔助開關(guān)管往往仍然是硬開關(guān)，仍然會產(chǎn)生很大損耗，再加上復(fù)雜的時(shí)序控制，使變換器的成本增加，可靠性降低。無源無損吸收則是采用無源元件來減小 MOSFET的dv／dt和二極管的 dv／dt，從而減小開通損耗和反向恢復(fù)損耗。它的成本低廉，不需要復(fù)雜的控制，可靠性較高。除了軟開關(guān)的研究之外，另一個(gè)人們關(guān)心的研究方向是控制技術(shù)。目最為常用的控制方法是平均電流控制， CCM／DCM臨界控制和滯后控制 3種方法。但是新的控制方法不斷出現(xiàn)，其中大部分是非線性控制方法，比如非線性載波技術(shù)和單周期控制技術(shù)。這些控制技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是使電路的復(fù)雜程度大大降低，可靠性增強(qiáng)。提高功率因數(shù)的幾種方法提高功率因數(shù)的方法有：①提高自然功率因數(shù)，包括合理選擇電器設(shè)備．避免變壓器輕載運(yùn)行，合理安排工藝流程，改善機(jī)電設(shè)備的運(yùn)行狀況；②通過人工補(bǔ)償提高功率因數(shù)、最常用的是并聯(lián)電容器補(bǔ)償。并不是經(jīng)補(bǔ)償后的功率因數(shù)越高越好，因?yàn)檠a(bǔ)償裝置消耗有功發(fā)出無功，隨著補(bǔ)償容量的增加，其有功損耗也增加，初投資增大。就經(jīng)濟(jì)運(yùn)行角度而言，補(bǔ)償后的功率因數(shù)過高或過低均會使總功率損耗增加；若補(bǔ)償功率因數(shù)恰當(dāng)，能使總有功損耗最小，此時(shí)的補(bǔ)償容量及功率因數(shù)稱為按經(jīng)濟(jì)運(yùn)行原則確定的補(bǔ)償容量及功率因數(shù)。提高功率因數(shù)的實(shí)際意義提高功率因數(shù)非常重要：①可減少有功損失；②減少電力線路的電壓損失，改善電壓質(zhì)量；③可提高設(shè)備利用率；④可減少輸送同容量有功的電流，因而可使線路及變電設(shè)備的容量降低。第4章Matlab仿真實(shí)驗(yàn)電路的工作原理有源功率因數(shù)校正( ActivePowerFactorCorrection，APFC)電路。是指在傳統(tǒng)的不控整流中融入有源器件，使得交流側(cè)電流在一定程度上正弦化，從而減小裝置的非線性，改變功率因數(shù)的一種高頻整流電路?；镜膯蜗?APFC電路在單相橋式不可控整流器和負(fù)載電阻之間增加一個(gè) DC-DC功率變換電路，通常采用 Boost電路。通過適當(dāng)?shù)目刂?Boost電路中開關(guān)管的通斷，將整流器的輸入電流校正成為與電網(wǎng)電壓相同相位的正弦波，消除諧波和無功電流，將電網(wǎng)功率因素提高到近似 1，其電路圖如圖 4-1所示：假定開關(guān)頻率足夠高， 保證電感 L的電流連續(xù)： 輸入電容 C足夠大。輸入電壓 u0可以為是恒定直流電壓，電網(wǎng)電壓 ui為理想正弦，即 ui=Umsinwt，則不可控整流橋的輸入電壓ud為正弦半波。 ud=ui=Um|sinwt|。4-1APFC電路原理圖當(dāng)開關(guān)管 Q導(dǎo)通時(shí)， Ud對電感充電，電感電流增加，電容 C向負(fù)載放電，當(dāng) Q關(guān)斷，二極管D導(dǎo)通時(shí)，電感兩端電壓 UL反向，Ud和UL對電容充電， 電感電流 IL減小。電感電流滿足：

通過控制 Q的通斷，即調(diào)節(jié)占空比 D,可以控制電感電流 IL。若能控制 IL近似為正弦半波電流，且與 Ud同相位，則整流橋交流側(cè)電流 ii也近似為正弦電流，且與電網(wǎng)電壓Ui同相位，即可達(dá)到功率因數(shù)校正的目的，維持需要引入閉環(huán)控制。控制器必須實(shí)現(xiàn)以下兩個(gè)要求： 一是實(shí)現(xiàn)輸入直流電壓 U0的調(diào)節(jié)，使其達(dá)到給定值：二是保證網(wǎng)側(cè)電路正弦化，且功率因數(shù)為 1。即在穩(wěn)定輸出電壓 U0的情況下。使電感電流IL與Ud波形相同。實(shí)驗(yàn)要求理解Boost電路工作原理 ，完成功率因數(shù)校正的仿真任務(wù)，使電源功率因數(shù)達(dá)到0.95以上；電源主要指標(biāo)：輸入電壓：單相 220V（1±15%）， 50HZ；輸出直流電壓 400V（1±15%）;較好地完成整流任務(wù)。4.3Matlab仿真步驟和波形4.3.1選取器件在simulink中的 SimPowerSystems中選取以下仿真器件 PIDContro（lPID調(diào)節(jié)器）、Relay（滯環(huán)比較器）、單相 AC電壓源、電流和電壓測量表、 UniversalBridge（通用橋電路）、 Mosfet（金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管）、 Diode（電力二極管）、 Gain（濾波器）、 SEriesRLCRranch（RLC器件）、 Product（乘法器）、 Constan（常數(shù)）、tScope（示波器）、 Divide（除法器）、Powergui（仿真的工作環(huán)境）、 Display（顯示器）、DiscreteMeanvalue（離散平均值測量器），得到如圖所示的仿真電路圖。4-2Matlab整流電路仿真電路圖4.3.2設(shè)置各器件的仿真參數(shù)輸入電壓（網(wǎng)側(cè)電壓）有效值為 220V,頻率為 50HZ；輸出電壓指令 u*o為400V：電感L=6mH,電容C=320uF：負(fù)載電阻 R=160Ω：在二極管整流橋中，Rs=1e-6F,Cs=1e-6F,Ron=0，Vf=0；開關(guān)管 Q采用MOSFET,Ron=0.001Ω，Lon=0。Rd=0.01Ω，Vf=0， IC=0， Rs=1e5Ω，Cs=inf；Boost電路中二極管參數(shù)，Ron=0.001Ω,Lon=0,Vf=0.8V,IC=0,Rs=500Ω,Cs=250e-9F。,4-3網(wǎng)側(cè)電壓的參數(shù)4-4PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)4-5Relay滯環(huán)比較器的參數(shù)4-6Mosfet參數(shù)4-7二極管參數(shù)3.3運(yùn)行和調(diào)試?yán)胮owergui將仿真設(shè)置為離散模型， Ts=1e-6。將仿真參數(shù)的 Starttime設(shè)置為0，Stoptime設(shè)置為 0.5，其他為默認(rèn)參數(shù)。 圖是其參數(shù)， 單擊仿真快捷鍵▲ ,啟動仿真程序。圖4-8仿真時(shí)的環(huán)境參數(shù)輸出電壓波形 U0如圖所示：

4-19輸出電壓 U0的仿真波形4-10Ui和ii的仿真波形4-11Ud和iL的波形4-12功率因數(shù)仿真波形4.4各子系統(tǒng)4-14Subsystem1.5仿真結(jié)論根據(jù) Ud和iL的仿真波形如圖所示：從波形可以看出 Ud和iL的相位角大致相同，可見控制的效果很好，這滿足控制器實(shí)現(xiàn)網(wǎng)側(cè)電流正弦化，且功率因數(shù)為近似 1的要求；而達(dá)到了 APFC的目的，從功率因數(shù)的仿真波形也可以看出，達(dá)到了設(shè)計(jì)效果。結(jié)論與展望結(jié)論本文所作的重要工作是對電力電子中整流電路的基礎(chǔ)部分進(jìn)行了研究，在學(xué)習(xí)中，主要研究了兩個(gè)方面：一是基于電流滯環(huán)比較法控制系統(tǒng)的研究；二是基于功率因素校正技術(shù)的研究。本文在研究了可控器件的開斷同時(shí)，提出了電流滯環(huán)比較法控制系統(tǒng) Matlab模型，該控制系統(tǒng)應(yīng)用方便，經(jīng)濟(jì)，滯環(huán)比較控制方式的硬件電路簡單，屬于實(shí)時(shí)控制，電流響應(yīng)快，對負(fù)載的適應(yīng)性強(qiáng)， 由于不需要載波， 所