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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。

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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。

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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：

PF?有功功率

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

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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 PSV1I1cos?V1IrmsIIrms5 ???cos??cos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

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