CCM-BOOST功率因数校正课设正文

摘要 (1)

1设计任务及要求 (2)

1.1初始条件 (2)

1.2要求完成的主要任务 (2)

2功率校正的意义 (2)

2.1 功率校正的原因 (2)

2.2 AC／DC变换器输入电流的谐波分析及危害 (3)

3功率因数校正原理 (4)

3.1功率因数（PF）的定义 (4)

3.2 PF与功率因数的关系 (5)

3.3有源功率因数校正方法分类 (5)

4有源功率因数校正的实现 (7)

4.1 UC3854控制集成电路 (7)

4.1.2 UC3854中的前馈作用 (9)

4.2 UC3854的典型应用电路 (11)

4.3 功率因数校正原理图 (12)

4.4 主电路设计 (12)

4.4.1 升压电感设计 (12)

4.4.2 输出电容 (13)

4.4.3 选择功率管MOSFET及续流二极管 (13)

5 基于UC3854的MATLAB仿真 (14)

5.1 仿真模型连接 (14)

5.2仿真结果 (15)

6 小结与体会 (16)

参考文献 (17)

摘要

本文设计了一种高功率因数、低电磁干扰的单级CCM-BOOST功率因数校正电路。首先对有源功率因数校正电路进行了详细的分析。基于对有源功率因数校正电路的双级式和单级式结构的特点比较，本文采用了单级式的电路结构。选择Boost电路为有源功率因数校正电路的主电路，给出了Boost电路的组成并分析了它的工作过程。在此基础上本文采用连续导电工作模式(CCM)和平均电流控制策略，并应用UC3854作为有源功率因数校正电路的控制芯片。对UC3854芯片的工作原理及各引脚功能作了介绍，对相应的控制部分的控制输入、乘法器、电压环和电流环部分进行了详细的分析。

在上述对有源功率因数校正电路做了优化基础上，在输入电压为市电220V/50 Hz条件下，对有源功率因数校正电路进行优化，输出400V直流电，并应用MATLAB软件进行了仿真计算。仿真结果与理论设计比较，两者相当一致,表明了本文所做的工作的正确性。

关键词：CCM-BOOST 功率校正 UC3854 MATLAB仿真

CCM-BOOST功率因数校正电路仿真1设计任务及要求

1.1初始条件

输入交流电源：单相220V，频率50Hz。

1.2要求完成的主要任务

1、基于CCM-BOOST方式实现功率因数校正，输入功率因数达到0.99。

2、输出直流电压：400V，输出功率250W。

3、建立功率因数校正电路Matlab仿真模型或者saber模型。

4、进行仿真，得到交流侧输入电压电流波形。

2功率校正的意义

2.1 功率校正的原因

电力电子装置的大量应用给电力系统注入了越来越多的谐波，使系统的功率因数降低，造成电网供电质量下降，干扰周围电气设备正常运行，这一问题已引起人们极大的重视。如何抑制这些谐波，改善供电质量己成为一个重要的研究课题。在电力电子装置中，开关功率变换器的功率因数校正及控制就是该领域的一个重要方面。目前，这一重要课题研究中，常用的是基于Boost电路的功率因数校正(Power Factor Correction)技术，本次课设设计了有源功率因数校正电路。本章以AC／DC变换器为例，分析了普二极管整流电路产生谐波电流的原因及谐波电流的危害，引出了非正弦电路中谐波和功率因数的关系，介绍了抑制谐波和提高功率因数的途径，得出了本文提高AC／DC变换器输入端功率因数的策略

及有源功率因数校正技术。

2.2 AC／DC变换器输入电流的谐波分析及危害

传统的AC/DC电能变换器和开关电源，其输入电路普遍采用了图1.1所示的全桥二极管不控整流方式。虽然不控整流器电路简单可靠，但它们会从电网中吸取高峰值电流，使输入端电流和交流电压均发生畸变。大量电气设备自身的稳压电源，其前置级电路实际上是一个峰值检波器，高压电容滤波器上的充电电压使整流器的导通角减小3倍，电流脉冲变成了非正弦的窄脉冲，因而，如图1.2所示，在电网输入端产生了失真很大、时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流。

输入电流中谐波的主要危害有：

1)使电容器的正常阻抗减小，造成电容器的负荷增大，甚至被烧毁。

2)使电子设备正常工作受到影响、对通讯设备产生信号干扰、继电保护装置发生误动作。

3)谐波倒流入电网，引起严重的谐波“污染”及母线上的电压畸变，干扰其它设备的正常运行。

4)谐波电流通过电机、变压器，将增大铁损，使电机、变压器铁芯过热，还会产生附加谐波转矩、机械振动等。这些都严重影响电机的正常运行，缩短了它的使用寿命。另外，严重的电流畸变使输入电流有效值变大，电流的集肤效应增强，导致了电网中产生附加损耗。

3功率因数校正原理

3.1功率因数（PF ）的定义

功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大， 增加了线路供电损失，因此供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。 在交流电路中，电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数（PF ）是有功功率（P ）和视在功率（S ）的比值，即 φγφφCOS COS COS 11====I I UI UI S P PF

式中cos φ——功率因数；

P ——有功功率，kW ；

S ——视在功率，kV .A ；

U ——用电设备的额定电压，V ；

I ——用电设备的运行电流有效值，A ；

1I ——用电设备电流基波电流，A ；

γ——输入电流波形畸变因数。 所以功率因数可以定义为输入波形畸变因数（）与相移因数（）的

乘积，可见功率因数（PF ）由电流失真系数（）和基波电压、基波电流相移因数（）决定。由于常规整流装置常使用非线性器件（如可控硅、二极管），整流器件的导通角小于180o ，从而产生大量谐波电流成份，而谐波电流成份不

做功，只有基波电流成份做功。所以相移因数（）和波形畸变因数（）相比，输入波形畸变因数（）对供电线路功率因数（PF ）的影响更大。

3.2 PF与功率因数的关系

3.3有源功率因数校正方法分类

1．按电路结构分

（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：需用二个功率开关管，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，谐波失真小，效率高，但是输出电压高于输入电压，应用最为广泛。它具有以下优点：

（1）电路中的电感L适用于电流型控制。

（2）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。

（3）在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数。

（4）输入电流连续，并且在APFC开关瞬间输入电流小，易于EMI滤波。（5）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。2．按输入电流的控制原理分

①平均电流型：工作频率固定，输入电流连续（CCM），波形如图1（a）所示。这种控制方式的优点是：

（1）恒频控制。

（2）工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、EMI滤波器体积小。（3）能抑制开关噪声。

（4）输入电流波形失真小。

主要缺点是：

（1）控制电路复杂。

（2）需用乘法器和除法器。

（3）需检测电感电流。

（4）需电流控制环路。

②滞后电流型：工作频率可变，电流达到滞后带内发生功率开关通与断操作，使输入电流上升、下降。电流波形平均值取决于电感输入电流，波形图如图1（b）所示。

③峰值电流型：工作频率变化，电流不连续（DCM），工作波形图如图1（c）所示。DCM采用跟随器方法具有电路简单、易于实现的优点，但存在以下缺点：

（1）功率因数和输入电压Vin与输出电压VO的比值有关。即当Vin变化时，

功率因数PF值也将发生变化，同时输入电流波形随的加大而THD变大。（2）开关管的峰值电流大（在相同容量情况下，DCM中通过开关器件的峰值电

流为CCM的两倍），从而导致开关管损耗增加。所以在大功率APFC电路中，常采用CCM方式。

④电压控制型。

工作频率固定，电流不连续，工作波形图如图1（d）所示。

图1 输入电流波形图

4有源功率因数校正的实现

下面以常见的美国TI公司生产的APFC用集成电路UC3854介绍其性能特点、工作原理与典型应用电路。

4.1 UC3854控制集成电路

4.1.1 UC3854引脚功能

UC3854 引脚功能如表3-1所示。

表3-1 UC3854的引脚功能

引脚号引脚

符号

引脚功能

(1) GN

D

接地端，器件内部电压均以此端电压为基准

(2) PKL

MT

峰值限定端，其阈值电压为零伏与芯片外检测电阻负端相连，可与芯片内接基准电压的电阻相连，使峰值电流比较器反向端电位补偿至零

(3) CA

out

电流误差放大器输出端，对输入总线电流进行检测，并向脉冲宽度调制器发出电流校正信号的宽带运放输出

(4) Isens

e

电流检测信号接至电流放大器反向输入端，(4)引脚电压应高于-0.5V （因采用二极管对地保护）

(5) Mult

out

乘法放大器的输出和电流误差放大器的同相输入端

(6) I AC 乘法器的前馈交流输入端，与B端相连，(6)引脚的设定电压为6V，通过外接电阻与整

(7) V A

out

误差电压放大器的输出电压，这个信号又与乘法器A端相连，但若低于1V乘法器便无输出

(8) V RMS 前馈总线有效值电压端，与跟输入线电压有效值成正比的电阻相连时，可对线电压的变化进行补偿

(9) V REF基准电压输出端，可对外围电路提供10mA的驱动电流

(10) ENA 允许比较器输入端，不用时与+5V电压相连

(11) V检

测

电压误差放大器反相输入端，在芯片外与反馈网络相连，或通过分压网络与功率因数校正器输出端相连

(12) Rset (12)端信号与地接入不同的电阻，用来调节振荡器的输出和乘法器的最大输出

(13) SS 软启动端，与误差放大器同相端相连

(14) C T接对地电容器C T，作为振荡器的定时电容

(15) Vcc 正电源阈值为10V～16V

(16) GT D PWM信号的图腾输出端，外接MOSFET管的栅极，该电压被钳位

在15V

RV

4.1.2 UC3854中的前馈作用

UC3854的电路框图和内部工作框图如图2、图3所示。

在APFC电路中，整流桥后面的滤波电容器移到了整个电路的输出端（见图2、图4中的电解电容C），这是因为Vin应保持半正弦的波形，而V out需要保持稳定。

从图3所示的UC3854工作框图中可以看到，它有一个乘法器和除法器，它

的输出为，而C为前馈电压VS的平方，之所以要除C是为了保证在高功率因数的条件下，使APFC的输入功率Pi不随输入电压Vin的变化而变化。工作原理分析、推导如下：

乘法器的输出为

式中：Km表示乘法器的增益因子。

Kin表示输入脉动电压缩小的比例因子。

电流控制环按照Vin和电流检测电阻Ro（参见图2）建立了Iin。

Ki表示Vin的衰减倍数

将式（3）代入式（4）后有

如果PF=1 效率η=1有

由（6）可知：当Ve固定时，Pi、Po将随V2in的变化而变化。而如果利用除法器，将Vin除以一个

可见在保证提高功率因数的前提下，Ve恒定情况下，Pi、Po不随Vin的变化而变化。即通过输入电压前馈技术和乘法器、除法器后，可以使控制电路的环路增益不受输入电压Vin变化的影响，容易实现全输入电压范围内的正常工作，并可

使整个电路具有良好的动态响应和负载调整特性。

在实际应用中需要加以注意：前馈电压中任何100 Hz纹波进入乘法器都会和电压误差放大器中的纹波叠加在一起，不但会增加波形失真，而且还会影响功率因数的提高。

前馈电路中前馈电容Cf（图2、图4中的Cf）的取值大小也会影响功率因数。如果Cf太小，则功率因数会降低，而Cf过大，前馈延迟又较大。当电网电压变化剧烈时，会造成输出电压的过冲或欠冲，所以Cf 的取值应折中考虑。

4.2 UC3854的典型应用电路

原理图如图4所示。

图4 UC3854的典型应用电路

4.3 功率因数校正原理图

基于CCM-BOOST功率因数校正电路设计包括主电路设计和控制电路的设计。主电路主要包括工频整流桥、输入电感、开关管、续流二极管、输出滤波电容等。控制电路主要是PWM电流控制芯片UC3854集成电路。

功率因数校正原理图如图5所示：

图5 功率因数校正原理图

4.4 主电路设计

4.4.1 升压电感设计

电感将决定在输入侧高频纹波电流的大小，且它的值与纹波电流的大小有关。电感值由输入侧的交流电流峰值来决定。由于最大的峰值电流出现在线电压为最小值,负载最大时,所以有：

最大峰值线路电流pk I (max O in P P ≈时)为：

A V p V p I rms O rms in pk 96.1180

250222(min)max (min)≈?=?≈?=，其中(min)rms V 为输入电压最小值，取180V 。

纹波电流△I 按下式计算，峰-峰值纹波电流通常选择在最大峰值电流的20%左右即有：A I I pk 39.096.12.02.0=?=?=?

低电网线路电压时经整流的峰值电压V V pk in 6.254180414.1)(=?=,则在pk I 时的占空因数364.0400

5.254400)

(=-=-=o pk in o V V V D 则升压电感器的电感 mH I f D

V L pk in 38.239

.010*******.05.254)(=??=???= 开关频率kHz f 100=，故取 2.4mH L =

4.4.2 输出电容

输出电容器电容0C 的典型值一般按每瓦l ～2F μ确定。记t ?为维持时间（秒），(min)o V 是最小输出电容器电压，则

F V V t P C o o o o μ486300

400106825022223

2(min)2=-???=-??=-

t ?=68ms, 取F C μ5000= 4.4.3 选择功率管MOSFET 及续流二极管

对于MOSFET ，为了使管子有较宽的工作区，将按照电路可能工作的最严 重情况选择额定参数。输入电压为V V pk in 254)(=，W P o 250(max)=，功率管额

定电流A U U U P I pk in pk in o rms 68.03162)

(02)(2(max)

=-=π 通常考虑两倍裕量，故管子的额定电流值取为1.5 A 。 对于续流二极管，二极管额定电流A U U I pk in dms 64.1316)

(0==π 同样考虑两倍的额定裕量，则取二极管的额定电流值为 3.3A 。根据上述额定电压，额定电流要求，可选择相应功率开关管APT10026L2LL 型MOSFET 管，其额定指标为38A/1000V 和二极管。

5 基于UC3854的MATLAB 仿真

5.1 仿真模型连接

MATLAB 仿真模型如图6所示：

图6 MATLAB 仿真模型

5.2仿真结果

交流侧输入电流波形如图7所示：

图7 输入电流波形

图8 输入电压波形

6 小结与体会

本次课设是设计CCM-BOOST功率因数校正电路，电力电子装置的大量应用给电力系统注入了越来越多的谐波，使系统的功率因数降低，造成电网供电质量下降，这一问题已引起人们极大的重视，目前有效的办法就是使用功率校正电路对功率因数进行校正。

在分析了不同功率校正电路的优缺点后我选择了CCM-BOOST功率校正电路，以UC3854为核心的控制芯片，并且对主电路的相关参数进行了计算，最终用MATLAB搭建仿真模型，得到输入电流和输入电压波形，从仿真结果可以看出，运用功率因数校正电路确实使功率因数得到了提高。实践表明，在合理配置电路参数的情况下，不仅获得了稳定的直流输出，而且实现了功率因数校正。

通过本次课设，不仅使我重新温故了理论知识，也使我学到了许多新知识，同时让我进一步掌握了MATLAB的运用，对我今后的学习和工作有很大的促进作用。而且在这次课设中我也认识到了自己的一些不足之处，需要及时的改正，使自己能够不断进步。

参考文献

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[2]侯云海、薛鹏、王辉、卢秀和. 新式电感型非线性阻抗变换整流电路. 通信

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[3]刘跟平、汤永德、王国君、侯云海. 基于电感非线性阻抗变换的一种新型高

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[4]路秋生. 功率因数校正技术与应用.机械工业出版社，2006.2

[5]杨荫福、段善旭、朝泽云.电力电子装置及系统.清华大学出版社，2006.9

[6]周志敏、周纪海编著．开关电源实用技术．北京：人民邮电出版社．2003