本科毕业设计（论文）
（Boost型功率因数校正电路及
其控制系统设计）
（王志彬）
燕 山 大 学
2010年6 月
本科毕业设计（论文）
（Boost型功率因数校正电路及其控制系统设计）
学院（系）： 电气工程学院 专 业： 应用电子 学生 姓名： 王志彬 学 号： 050103030194 指导 教师： 漆汉宏 答辩 日期： 2010-6-25
燕山大学毕业设计（论文）任务书
学院：电气工程学院 系级教学单位：电气工程及其自动化系 学 学生 专 业 050103030194 王志彬 应电06-4 号 姓名 班 级 题目名称 Boost型功率因数校正电路及其控制系统设计 1.理工类：工程设计 （√ ）；工程技术实验研究型（ ）； 题 目 题目性质 理论研究型（ ）；计算机软件型（ ）；综合型（ ） 2.管理类（ ）；3.外语类（ ）；4.艺术类（ ） 题目类型 1.毕业设计（ √ ） 2.论文（ ） 题目来源 科研课题（ ） 生产实际（ ）自选题目（√ ） ，解决这主 电力电子装置的大量使用给电网带来谐波和无功，造成电网的“污染”要 种污染的主要途径之一是使用有源功率因数校正技术。它在传统的整流电路中内 加入有源开关，通过控制有源开关的通、断来强迫输入电流跟随输入电压变化，容 从而获得接近正弦波的输入电流和接近1的功率因数。 1. 了解功率因数校正的基本原理型PFC电路的控制策略。 2. 掌握Boost型功率因数校正电路的工作原理及其典型控制策略。 3. 仿真分析平均电流型Boost功率因数校正电路。 基 本 要 求 参 1.王兆安等，电力电子交流技术，机械工业出版社 考 2.郑颖楠，电源技术，燕山大学自编教材 资 3.叶奎贞，新颖开关电源，机械工业出版社 料 4. 中国学术期刊网 周 次 第 1～ 4 周 第5 ～ 8 周 第 9 ～12周 第13～16 周 第 17 ～18周 验撰写论文，准备应 查阅资料，阅确定方案，设计电系统参数设进行仿真，路 计 证可行性 答辩 完 读文献 成 的 内 容 指导教师：漆汉宏 系级教学单位审批： 职称：教授 09 年 12 月30日 年 月 日 注：表题黑体小三号字，内容五号字，行距18磅。（此行文字阅后删除）
摘要 摘要
近几十年来，由于大功率电力电子装置的广泛使用，使公用电网受到谐波电流和谐波电压的污染日益严重，功率因数低，电能利用率低。为了抑制电网的谐波，提高功率因数，人们通常采用无功补偿﹑有源﹑无源滤波器等对电网环境进行改善。近年来，功率因数校正技术作为抑制谐波电流，提高功率因数的行之有效的方法，备受人们关注。
功率因数校正(简称PFC)技术是电力电子技术的重要组成部分，并已经在越来越多的领域得到应用。上世纪九十年代以来，PFC控制技术越来越多的引起人们的关注。许多控制策略运用于PFC电路中，如平均电流控制﹑峰值电流控制﹑滞环控制等。
本文在参阅国内为大量文献的基础上，综合了近年来国内外功率因数校正的发展状况，简要分析了无源功率因数与有源功率因数的优﹑缺点，并详细分析了有源功率因数校正的基本原理和控制方法，选择BOOST变换器为主电路拓扑，采用平均电流控制的UC3854A控制器。
本文功率因数校正电路的设计，使电路的功率因数得到了明显改善，达到了设计要求，同时电路的总谐波畸变因数控制在了一定的范围，减少了对电网的污染。根据参数，基于PAPICE环境下对功率因数前后的电路进行了仿真。
关键词 功率因数校正 BOOST变换器 平均电流控制 仿真
I
燕山大学本科生毕业设计（论文） Abstract
The harmonic for voltage and current,lower power factor and lower power efficiency of public power system is serious increasingly because of much big power electronic equipment in resent years.Usually,reactive compensation,filters for active of power system.But the power factor correction technique is research because it is an effective method to control harmonic and improve power factor by recent years.
Nowadays PFC(Power Factor Correction)inverters that are being used in many filds play an important role in the life.It is used in many applications.During the last decade, there has being a large interest in PFC.Many control methods are explored,including average control, peak current control,hysteretic control,etc. The development for power factor correction both here and abroad in recent years is summarized and the good and bad characteristics for reactive and active power factor correction is analyzed briefly and the basic principle and control methods of active power factor correction is analyzed detailed after read a mass of literatures both here and abroad.The main BOOST converter and UC3854 controller is designed and elements of main and control circuit.
The power factor of circuit is improved obviously and satisfied design require after power factor correction and the total harmonic distortion for current is controlled in a band,so the harmonic for voltage and current is reduced.The cicuit was simulated based on MATLAB according to these parameters and correctness of the design is proved firstly after used compare simulation waves.
Keywords PFC（power factor correction） BOOST converter Average
current control Simulation
II
目 录
摘要 ....................................................................................................................... I Abstract ................................................................................................................ II 第1章 绪论 .........................................................................................................1
1.1 课题背景 ...............................................................................................1 1.2谐波电流对电网的危害 ........................................................................2 1.3 研究的主要内容 ...................................................................................3 第2章 功率因数校正 .........................................................................................4
2.1 功率因数 ...............................................................................................4 2.1.1 功率因数的定义 ...........................................................................4 2.1.2功率因数校正的基本原理 ............................................................6 2.2功率因数校正的一般方法 ....................................................................7 2.2.1无源功率因数校正 ........................................................................7 2.2.2有源功率因数校正 ........................................................................8 2.3功率因数校正技术的发展趋势 ..........................................................10 2.3.1 APFC控制电路硬件的发展趋势 ................................................10 2.3.2两级PFC技术的现状和发展趋势 .............................................. 11 2.3.3单级PFC技术的现状和发展 ...................................................... 11 2.3.4三相PFC技术的发展 ..................................................................12 2.4本章小结 ..............................................................................................12 第3章 单项功率因数校正技术 .......................................................................13
3.1BOOST型PFC电路的构成及特点..........................................................13 3.1.1Boost型PFC电路的构成 ............................................................13 3.1.2 Boost型PFC的特点 ..................................................................14 3.2 BOOST型有源功率因数校正的控制方法 ............................................15 3.2.1电流峰值控制法 ..........................................................................15 3.2.2平均电流控制法 ..........................................................................17 3.2.3滞环电流控制法 ..........................................................................18 3.3 UC3854A简介 ......................................................................................19
III
3.3.1 UC3854A的主要特点.................................................................. 20 3.3.2 UC3854A的内部结构.................................................................. 20 3.3.3 引脚说明..................................................................................... 22 3.4本章小结.............................................................................................. 25 第4章 仿真Boost型功率因数校正电路....................................................... 25
4.1 主电路参数设置 ................................................................................ 26
4.1.1 额定参数................................................................................... 26 4.1.2 主要电气参数........................................................................... 26 4.1.3 升压电感的计算....................................................................... 28 4.1.4 输出电容的计算....................................................................... 28 4.1.5 功率元件..................................................................................... 29 4.1.6 Cr、Cs、Lr及VD1、VD2、VD3................................................. 29 4.2 控制电路 .............................................................................................. 30 4.2.1 控制电路的结构......................................................................... 30 4.2.2 电路工作原理............................................................................. 31 4.2.3 控制电路的设计......................................................................... 32 4.3 开环电路仿真 ...................................................................................... 37 4.4 闭环仿真 .............................................................................................. 39 4.4.1 电压控制环路部分................................................................... 39 4.4.2 电流控制环路部分................................................................... 39 4.4.3仿真电路构成.............................................................................. 40 4.4.4闭环仿真波形及分析.................................................................. 41 4.4.5 仿真结果分析............................................................................. 42 4.5本章小结.............................................................................................. 42 结论..................................................................................................................... 35 参考文献............................................................................................................. 36 致谢..................................................................................................................... 38 附录1.....................................................................................................................I 附录2................................................................................................................... V 附录3..................................................................................................................IX 附录 4............................................................................................................ XVII
IV
V
第1章 绪论
第1章 绪论
1.1 课题背景
随着工业现代化和电气化的进展，人们对电能质量的要求越来越高。计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备和家用电器等对电能质量有一定的要求，电能质量低可能导致机器无法正常工作甚至不能工作。功率因数的高低直接影响着电能质量的好坏。用电设备过低的功率因数将使电网波形畸变，线路损耗大；降低整个供电系统的功率因数，增大系统供电量；降低用电设备的使用寿命；干扰仪器仪表。
电力能源在人们生产生活中的作用越来越重要，各种各样的用电设备也应运而生，然而大多数的用电设备不是直接使用通用的交流电网提供的交流电作为直接的供电能源，而是通过一定的形式对其进行电压电流的变换，从而得到各自所需的电能形式。电能的主要变换电路形式有AC-DC、DC-DC、DC-AC和AC-AC四大类。其中，AC-DC变换电路俗称整流电路，也就是将交流电能变换为直流电能的电路。整流的方式应用最为广泛，例如家用电器设备电源供电、不间断电源UPS、汽车工业、化工工业、医疗、航天等人类社会活动的各个领域之中。整流电路可以直接为要求较低的电力电子装置提供直流电能。整流电路作为电网与电力电子装置的接口电路，构成直流稳压电源，为电力电子装置提供高质量的直流电能。
功率因数是电力系统的一个重要的技术指标，伴随着电力电子技术的广泛应用，开关器件越来越多地用在各种电能变换装置中。开关器件的引入一方面提高了装置的变换效率，另一方面也带来了谐波污染和功率因数低下等问题。为了消除谐波污染、改善装置的功率因数，功率因数校正技术应运而生。由于环保意识和可持续发展的观念已深入人心，高效率、高品质、无污染地使用电能，已经成为当今世界范围内的潮流，因此功率因数校正技术成为当今功率电子技术领域中的前沿和热点。
鉴于低功率因数带来的危害，功率因数校正变得非常必要，成为电力电子学研究的重要方向之一。改善用电设备功率因数的工作的重点主要是功率因数校正电路拓扑结构的研究和功率因数校正控制集成电路（如
1
燕山大学本科生毕业设计（论文） UC3842~UC3855A系列,KA7524,TDA4814等）的开发。
Boost电路作为一种基本的DC／DC变换器，由于具有电感电流连续、储能电感也兼作滤波器、可抑制RFI和EMI噪声、电流波形失真小、输出功率大、共源极使驱动电路简单等优点，已广泛应用于各种电源设计。但典型Boost电路的功率因数及电路传输效率都有待改进。基于此，本设计研究了一种Boost PFC软开关电路，它通过构造辅助软开关电路，最终实现开关管的软开关。
电力电子装置的大量使用给电网带来谐波和无功，造成电网的“污染”，解决这种污染的主要途径之一是使用有源功率因数校正技术。它在传统的整流电路中加入有源开关，通过控制有源开关的通、断来强迫输入电流跟随输入电压变化，从而获得接近正弦波的输入电流和接近1的功率因数本文研究的主要内容是BOOST型功率因数校正电路及其控制系统设计，用以改善系统的功率因数，核心还是在如何提高系统功率因数。
1.2谐波电流对电网的危害
其实谐波污染和由谐波引起的功率因数降低等问题早就存在，只不过由于当时开关器件使用的相对较少，对谐波危害尚无深刻认识，在很长时间里并没有引起人们的足够重视。一般来讲，凡是使用开关器件的装置都会产生谐波，谐波的产生都会引起功率因数的降低。早期的电力电子装置中大量使用的晶闸管和不控整流二极管都是开关器件。因此都会产生谐波污染和功率因数低下等问题。
脉冲状的交流输入电流波形中还有大量的谐波电流成分，大量的谐波电流倒流入电网即谐波辐射（harmonica emissions）会对电网造成污染，谐波就是一定频率的电压或电流作用于非线性负载时,会产生不同于原频率的其它频率的正弦电压或电流的现象。谐波主要有以下主要危害：
（1）谐波电流的“二次效应”，即谐波电流流过线路阻抗而造成的谐波电压反过来会使电网电压波形发生畸变，引发电路谐振而造成过电流或过电压而引发事故。
（2）增加附加损耗，降低发电、输电及用电设备的效率和设备利用率。
2
第1章 绪论
（3）使电气设备（如变压器、电容器、电机等）运行不正常，加速绝缘老化，从而缩短它们的使用寿命。
（4）使继电保护、自动装置、计算机系统及许多用电设备运转不正常或不能正常动作或操作。
（5）使测量和计量仪器、仪表不能正确指示或计量。
（6）干扰通信系统，降低信号的传输质量，破坏信号的正常传递，甚至损坏通信设备。
可见谐波的存在极大地污染了公共电网的用电环境，必须加以抑制和消除。谐波抑制的途径：一是使用谐波及无功补偿装置，用其产生与电网谐波频率相同但相位相反的谐波，抵消其影响。二是制造不产生谐波的装置。
1.3 研究的主要内容
1、了解功率因数校正的基本原理型PFC电路的控制策略。2、掌握Boost型功率因数校正电路的工作原理及其典型控制策略。3、仿真分析平均电流型Boost功率因数校正电路。
3
燕山大学本科生毕业设计（论文） 第2章 功率因数校正 2.1 功率因数
2.1.1 功率因数的定义
功率因数校正可简单地定义为有功功率与视在功率之比，即：
有功功率 PF?无功功率其中有功功率是一个周期内电流和电压瞬时值乘积的平均值，而视在功率是电流值与电压值的乘积。如果电流和电压是正弦波而且同相，则功率因数是1.0。如果两者是正弦波但是不同相，则功率因数是相位角的余弦。在电工基础课程中，功率因数往往就是如此定义，但是它仅适用于特定情况，即电流和电压都是纯正弦波。这种情况发生在负载由电阻、电容和电感元件组成，而且均为线性（不随电流和电压变化）的条件下。因为输入电路的原因，开关模式电源对于电网电源表现为非线性阻抗。输入电路通常由半波或全波整流器及其后面的储能电容器组成，该电容器能够将电压维持在接近于输入正弦波峰值电压值处，直至下一个峰值到来时对电容再进行充电。在这种情况下，只在输入波形的各峰值处从输入端吸收电流，而且电流脉冲必须包含足够的能量，以便在下一个峰值到来之前能维持负载电压。这一过程通过在短时间内将大量电荷注入电容，然后由电容器缓慢地向负载放电来实现，之后再重复这一周期。电流脉冲为周期的10%到20%是十分常见的，这意味着脉冲电流应为平均电流的5到10倍。下图描述了这种情况。
图2-1. 不带PFC的典型开关模式电源的输入特性
请注意，尽管电流波形有严重失真，电流和电压仍可以完全同相。应用
4
第2章 功率因数校正
“相位角余弦”的定义会得出电源的功率因数为1.0的错误结论。
图2-2 电流波形的谐波成分
图2-2 显示了电流波形的谐波内容。基波（在本例中为60 Hz）以100%的参考幅度显示，而高次谐波的幅度则显示为基波幅度的百分比。注意到几乎没有偶次谐波，这是波形对称的结果。如果波形包含无限窄和无限高的脉冲（数学上称为δ函数），则频谱会变平坦，这意味着所有谐波的幅度均相同。顺便说一下，这个电源的功率因数大约为0.6。
作为参考，图2-3 显示了功率因数校正完好的电源输入。它的电流波形和电压波形的形状和相位都极为相似。
图2-3 带接近完美的PFC的电源输入特性
通过以上分析，功率因数（PF）定义为有功功率与视在功率的比值，用公式表示为
PF ? ? ? 1 ?cos5 ???cos?PSV1I1cos?V1IrmsIIrms
燕山大学本科生毕业设计（论文）
式中：I1表示输入基波电流有效值；
Irms表示输入电流有效值 γ表示输入电流失真系数
cosφ表示基波电压与基波电流之间的相移因数
所以功率因数可以定义为输入电流失真系数γ与相移因数cosφ的乘积。
可见功率因数（PF）由电流失真系数γ和基波电压、基波电流相移因数cosφ决定。cosφ低，则表示用电电器设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大。同时，γ值低，则表示输入电流谐波分量大，将造成输入电流波形畸变，对电网造成污染，严重时，对三相四线制供电，还会造成中线电位偏移，致使用电电器设备损坏。
如何抑制和消除谐波对公共电网的污染，提高功率因数已成为国内外电源界研究的重要课题。PFC技术应用到新型开关电源中，已成为新一代开关电源的主要标志之一。
2.1.2功率因数校正的基本原理
功率因数校正电路基本上是一个AC/DC变换器。一个标准的变换器利用脉冲波宽度调制（PWM）技术来调整输入功率大小，以供应适当的负载所需功率脉冲波宽度调变器控制切换开关（通常是Power MOSFET）将直流输入电压变成一串电压脉冲波，随后利用变压器和快速二极管将其转成平滑的直流电压输出。这个输出电压随即与一个参考电压进行比较，所产生的电压差回馈至PWM控制器。这个误差电压信号用来改变脉冲波宽度的大小，如果输出电压过高，脉冲波宽度会减小，进而使输出电压降低，以使输出电压恢复至正常输出值。
PFC电路也是利用这个方法，但是加入了一个更先进的元件，使得来自交流电源的电流是一个正弦波并与交流电压同相位。此时误差电压信号的调变是由整流后的交流电压和输出电压的变化来控制的，最后误差电压信号回馈至PWM控制器，也就是说，当交流电压较高时，PFC电路就从交流电源吸取较多的功率；反之，若交流电压较低，则吸取较少的功率，如此可以抑
6
第2章 功率因数校正
制交流电流谐波产生。
2.2功率因数校正的一般方法
由功率因数定义可以知道要提高功率因数，有两个途径：（1）使输入电压、输入电流同相位，此时cos?=1，PF=?。（2）是输入电流正弦化，即Ii?I1（谐波为零），即可以使PF=?cos?=1。从而实现功率因数的校正（Power Factor Correction）。正如前面多分析的常用的功率因数校正方法主要有有源功率因数校正(APFC)和无源功率因数校正（PPFC）两大类。有源功率因数校正又有分立元器件和集成电路构成之分，立元器件和集成电路构成的功率因数校正电路又有许多不同的电路形式，而由于采用集成电路构成的功率因数校正电路具有工作可靠、使用性能好等一系列优点，所以采用集成电路组成的有源功率因数校正电路得到了广泛应用。
虽然有源功率因数校正电路效果也比较好，但是电路结构比较复杂，成本较高，无源功率因数校正电路基本采用分立元器件组成，电路结构较有源简单许多，成本也比较低，只要对谐波电流控制适当，也可以是功率因数保持较高状态，可以满足较好校正要求。本文主要讨论有源功率因数校正方法。
2.2.1无源功率因数校正
无源功率因数采用的无源元件多为由电感和电容组成的低通、带通滤波器，工作在交流输入市电的工作频率（50-60Hz），将输入电流波形进行相移和整形。如果控制的合适的话，系统功率因数可以提高到0.9以上。但由于工作在市电工作频率，电感和电容元件的体积都比较大，因而由它们组成的无源功率因数校正电路的体积也就可能比较大。但电感和电容校正电路具有结构简单的优点，但是另外一方面，他们的补偿特性又容易受到电网阻抗、负载特性的影响，并且会由于和电网阻抗发生谐振而造成电路元器件的损坏，不容易对谐波和无功功率实现动态补偿。
尽管它的特点是简单，无源PFC电路仍有一些缺点。首先，巨大的电感限制了它在许多应用中的实用性。其次，如上所述，为了能在全球范围内使用，需要一个线路电压范围开关。增加该开关会增大因操作者错误（比如开关位置选择错误）而给电器/系统带来的风险。最后，未稳压的电压会提高
7
燕山大学本科生毕业设计（论文） PFC段后直流-直流转换器的成本，并降低其效率。
实际应用证明：一般不加功率因数校正环节的单相整流器对电网的谐波电流污染十分严重，由整流二极管和滤波电容组成的整流滤波电路主要存在如下的问题：
（1）一般系统启动时将会产生很大冲击电流，约为正常工作电流的十几倍甚至数十倍。
（2）系统正常工作时，由于整流二极管的导通角很小（一般只有60左右），会形成一个幅度很高的窄脉冲，电流波峰因数高，电流总谐波畸变率通常超过100%，同时还会引起电网电压波形的畸变。
（3）功率因数都比较低，一般约为0.5～0.6。
02.2.2有源功率因数校正
有源功率因数校正电路按拓扑分类有以下几大类
（1）降压式。因噪声大，滤波困难，功率开关管上电压应力大，控制驱动电平浮动，很少被采用。
（2）升／降压式。须用二个功率开关管，有一个功率开关管的驱动控制信号浮动，电路复杂，较少采用。
（3）反激式。输出与输入隔离，输出电压可以任意选择，采用简单电压型控制，适用于150W以下功率的应用场合。
（4）升压式(Boost)
简单电流型控制，PF值高，总谐波畸变因数(THD)小，效率高，但是输出电压高于输入电压。优点是电路中的电感L适用于电流型控制，由于升压型APFC的预调整作用在输出电容器C上保持高电压，所以电容器C体积小、储能大；在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数；当输入电流连续时，易于EMI滤波；升压电感L能阻止快速的电压、电流瞬变，提高了电路工作可靠性。
另外，按按输入电流的控制原理分类，还有以下几类：
（1） 平均电流型（2） 滞后电流型（3） 峰值电流型（4） 电压控制型
几种方法各有优缺点，很多资料和参考书籍上也有相关介绍。研究比较成熟，应用也比较广泛。
图2-3显示了连续模式PFC 的典型方法。升压转换器由一个根据电流命
8
第2章 功率因数校正
令信号Vi 对电感电流（转换器的输入电流）进行整形的平均电流模式脉冲宽度调制器(PWM)驱动。此信号Vi 是输入电压Vin 进行幅度变换后的复制品，由电压误差信号除以输入电压的平方得到（经过Cf 滤波，使得它成为和输入幅度成正比的变换系数）。
用误差信号去除以输入电压幅度的平方似乎并不常见。其目的是使环路增益（以及瞬态响应）独立于输入电压。分母中的电压平方函数抵消了VSIN的幅度和PWM控制的传递函数（电感中的电流斜率和输入电压成正比）。这个方案的缺点在于乘法器乘积的可变性。这就需要增大功率处理元件的设计余量，以解决最坏情况下的功率耗散。
交流输入电压负载PWM控制乘以Km除以Kd平方Ks
图2-4 经典PFC 电路的框图
平均电流模式控制采用一个根据控制信号Icp来稳定平均电流（输入或输出）的控制电路。对于一个PFC控制器，Icp由低频直流环路误差放大器产生。电流放大器是电流信号的积分器和误差放大器。它控制波形调整，而Icp信号控制直流输出电压。电流Icp在Rcp上产生了一个电压。为保持电流放大器的线性状态，其输入必须相等。因此，在Rshunt上的电压降必须等于Rcp上的电压，因为在电流放大器同相端的输入电阻上没有直流电流。电流放大器的输出是一个基于分路上平均电流的“低频”误差信号和Icp信号。和电压模式控制电路的情形一样，此信号被拿来同振荡器的锯齿波信号进行比
9
燕山大学本科生毕业设计（论文） 较，PWM比较器将根据这两个输入信号生成一个占空比。
乘法器的交流参考信号输出(Vi)表示了图3中的PFC转换器的输入电流波形、相位和比例系数。PWM控制器模块的任务是使平均输入电流与参考匹配。为此，一个叫做平均电流模式控制的控制系统将被应用在这些控制器中,这种方案如图4所示。
由上述分析可以得出，对于不同的最终应用要求和主要的推动因素，PFC电路的选择会有所不同。直到最近，仅有一两种拓扑被广泛用于PFC实施。对于较高功率的电路而言，通常选择的拓扑为在连续导电模式(CCM)下工作的升压转换器，并带有平均电流模式控制(ACMC)。对于较低功率的应用，一般使用临界导电模式(CRM)升压拓扑。因为内置PFC的电路应用范围已经拓展，所有对于更多样化的PFC解决方案的需求也正在不断增长。许多新兴的解决方案使用了成熟拓扑的变形，一些真正创新的技术也已涌现。
输出振荡器输出地电流放大器
图2-5. 平均电流模式控制电路图
2.3功率因数校正技术的发展趋势
2.3.1 APFC控制电路硬件的发展趋势
APFC控制电路的硬件形式正向两个方向发展，一是用于APFC的集成控制电路的研发，国外有多家公司生产用于APFC的专用集成控制器。集成控制器具有体积小、功能强、系统电路简单等优点，因此得到了广泛应用。二是将控制电路的功能融合到整个AC/DC变换器系统中的电路形式。这种硬件
10
燕山大学本科生毕业设计（论文） ⑤电容Ccp:
令电流误差放大器极点频率
CCP?12?CCZRcl12?fsRCZ?fs则
?159.pF2
（4—32）
（2）.电压环补偿网络 ①输出纹波电压:
Vo(pk)?Pin2?fRCoUo?3.17V
（4—33）
②放大器的输出纹波电压和增益
输出纹波电压必须衰减到电压误差放大器输出所允许的纹波电压。这就 要设置电压误差放大器在二次谐波频率点上的增益值，公式如下:
GVA??VVAO*%纹波Vo(pk)
?VVAO?4V
（4—34）
GVA??VVAO*%纹波Vo(pk)?0.0189
③反馈电容CVF:
电压误差放大器在二次谐波频率的增益为
CVF?12?fRRVIGVA1?RVICCF
（4—35）
?0.1?7F
④设置直流输出电压:
输出电压经RVI、RVD分压后与基准电压VREF比较。
RVD?RVI*VREFUo?VREF?9.7K6?
（4—36）
⑤电压环穿越频率:
fVI?Pin?VVAOUORVICOCVF(2?)12?CVFRVF36
2?10.Hz6 （4—37）
⑥反馈电阻RVF:
令电压误差放大器极点频率
?fVI
第4章 仿真Boost型功率因数校正电路
RVF?12?fVICVF?70.K3?
（4—38）
4.3 开环电路仿真
开环仿真波形（L取1.12mH，Lr取15μH，Cr取110nF，Cs取5nF，输出电容C取2000μF）：
4002000-200-40091.3ms100.0msV(V123:+,V123:-)-I(V123)110.0ms120.0ms Time130.0ms140.0ms144.7ms输入电压和电流
600V
400V200V0V0sV(R:2,R:1) Time20ms40ms60ms80ms100ms120ms140ms160ms
负载端电压
37
燕山大学本科生毕业设计（论文） 20V10V0VV(V2:+)5.02.5SEL>>-0.5121.3502msV(R:2)121.3600msId(M2)V(M2:d,0)121.3700ms121.3800ms Time121.3900ms121.4000ms121.4100ms驱动信号和开关管电压电流波形
20V10V0VV(V2:+)2.000SEL>>-2.15121.3502msV(R:2)121.3600msId(M2)V(M2:d,0)121.3700msV(D2:1)I(Lr)121.3800ms Time121.3900ms121.4000ms121.4100ms
上图中波形有：电感Lr的电流（有正有负,负为近似倒尖三角，然后为零，再上升后缓缓下降），开关管电流（刚刚导通时刻从零上升到最大值，再下降至最小值然后平缓上升再降至零），和开关管电压。 开环仿真波形分析：
由开环输入电压电流波形可以看出，电流发生了严重畸变，这将导致功率因数非常低。
由开关管电压电流波形可以看出开关管基本实现了零电压关断和零电流开通，这是由于无源软开关降低了开关的电流变化率及电压变换率。由于采用软开关技术降低了开关损耗，所以开关电源可以在低损耗情况下实现高频运行。
38
第4章 仿真Boost型功率因数校正电路
4.4 闭环仿真
4.4.1 电压控制环路部分
电压控制环路部分,输出电压VO经由分压电阻进入电压误差放大器的反相端,而非反相端的信号为7.5V的参考电压,如图4-3所示。推导其传递函数,如下所示:
VoGAIN?RvdRvi?Rvd7.5??Vo*VoGain?VAOUT?7.5Rvi?RvdRvf?1sCvf ，
?
(注:“?”为并联运算符,其含义为“上乘下加”,下同)。
Rvf?VAOUT?1sCvf??7.5??VoVoGain????7.5
Rvi?Rvd图4-3 电压控制环路模型
4.4.2 电流控制环路部分
电流控制环路部分,即输出电感电流iL经由采样电阻以电压的形式进入电流误差放大器的反相端,而非反相端的信号为乘除法器的输出电流Imo乘上一电阻Rmo,如图4-4所示。
图4-4 电流控制环路模型
39
燕山大学本科生毕业设计（论文） 推导其传递函数,如下列所示:
?Imo*Rmo???iL*Rsen?CAOUT??Imo*Rmo??Rci?1?1R???cz?sCcz?sCcp?
CAOUT??1?1R???cz?sCsCcpcz??Rci???Imo*Rmo???iL*Rsen?????Imo*Rmo?
其中,电流误差放大器中Rci,Rcz, Ccz,Ccp,可以为整个电流开环引入了两个极点和一个零点。两个极点中,一个为零,一个为高频的极点可以去除高频杂波。Wp=Ccz+CcpRczCczCcp ,Wz=RczCcz综合以上三部分的分析,我们可以按如下方式建立该控制器的模型:
将输出电压乘上一个负增益与参考电压相加之后进入了电压放大器,其行为可看作是两信号相减。电压放大器网络是个负增益形式的低通网络,其与整流后线电压的分压相乘,成为主要的电流信号。在此注意主要的电流命令其形式已经先乘上一个负增益,再与电感电流感测电压相加并乘上一个负增益,在这个流程里,最后一个负增益将之前主要的电流信号还原。整个流程的动作,可以看作是主要电流命令与电感电流感测电压作相减的动作,最后的PWM模型则维持不变,决定其占空比,完成内外环路的控制动作。这样就构建以运算放大器为核心的功率因数控制器的模型。
4.4.3仿真电路构成
根据以上模型的建立,将其更进一步地通过电子元件来实现,以运算放大器和电阻电容来实现低通网络。为了使APFC电路具有较好的稳定性和动态性能,电压、电流环路中极点的配置,也即电阻电容值的选用,是参照上节控制回路传函得出。仿真平台采用PSpice工具,它是一种微机级电路模拟的标准软件。
40