开关电源有源功率因数校正电路的设计与仿真研究

东北石油大学本科生毕业设计（论文） 摘 要

本文对Boost型功率因数校正技术进行了分析、设计和研究。详细分析了有源功率因数校正器的基本工作原理，通过比较几种不同拓扑的PFC变换器主电路的优缺点，和比较控制电路的几种不同控制方法的优缺点，明确本文所要研究的对象为平均电流控制（ACM）的Boost型功率因数校正器。

在此基础上对Boost主电路和控制电路进行数学建模，得出其状态方程和传递函数，运用仿真软件MATLAB中的Simulink工具，建立了Boost主电路和控制电路的Simulink仿真模型，并得出其仿真结果。

本文根据Boost变换器的特点和要求，设计了一个具体、实用的带PFC功能的开关电源电路，并给出了具体设计步骤和电路参数的计算。

平均电流控制的单相Boost功率因数校正电路，完全能够达到整流、高输入功率因数、升压、稳压、低纹波的目标，具有广阔的应用前景。

关键词：功率因数校正；Boost变换器；仿真

东北石油大学本科生毕业设计（论文） Abstract

Based on the summary of the fruits of the research of the Active Power Factor Correction, the PFC system, which adopts Boost power converter circuit and Average Current Mode control scheme, is well studied in this thesis.

According to the principle and the discussion of the single-phase active power correction, concluding different structures of the main circuit and methods of the controllers, the PFC system, which adopts Boost power converter circuit and Average Current Mode control scheme is indicated as the developing direction of PFC and regarded as PFC system structure.

Then, the state differential equations of ideal Boost converter and the general transfer functions of PWM converter are deduced and the simulation models of ideal converter are showed using MATLAB.

Besides, we design a practical circuit with the function of PFC, giving discrete design steps and the calculation of the circuit parameters.

Finally, we can conclude that the PFC system which adopts Boost power converter circuit and Average Current Mode control scheme can achieve good performance, which can be used widely in the future.

Key words: PFC (power factor correction); Boost converter; Simulation

东北石油大学本科生毕业设计（论文） 目 录

第1章 绪 论 .............................................................................................................. 1

1.1 课题研究意义 ............................................................................................ 1 1.2 功率因数 .................................................................................................... 1 1.3 功率因数校正方法 .................................................................................... 2 1.4 本文所做的主要工作 ................................................................................ 4

第2章 有源功率因数校正技术 .................................................................................. 5

2.1 APFC原理 ............................................................................................... 5 2.2 APFC技术分类 ....................................................................................... 6 2.3 有源功率因数校正的主电路拓扑 .......................................................... 6 2.4 有源功率因数校正技术的工作模式 ...................................................... 7 2.5 有源功率因数校正技术的控制策略 ...................................................... 9

第3章 APFC电路的设计 ......................................................................................... 14

3.1 APFC电路的选择 ................................................................................. 14 3.2 APFC电路的参数设计 ......................................................................... 15 3.3 本章小结 ................................................................................................ 20

第4章 APFC电路的仿真分析 ................................................................................. 21

4.1 MATLAB简介 ....................................................................................... 21 4.2 APFC主电路的仿真 ............................................................................. 22 4.3 Boost型APFC电路的仿真 .................................................................. 25 4.4 APFC电路的优化设计 ......................................................................... 30 4.5 本章小结 ................................................................................................ 33

结 论 ............................................................................................................................ 34 参考文献 ........................................................................................................................ 35 致 谢 ............................................................................................................................ 36

I

东北石油大学本科生毕业设计（论文） 第1章 绪 论

1.1 课题研究意义

随着电子科学技术的发展和应用，电子设备的种类越来越多，其中电源已经成为这些电子设备不可缺少的一部分。同时，它们对电源的要求也越来越高。近年来，开关电源以效率高，功率密度高，电压调整率高，体积小，重量轻等诸多优点而在电源领域中占据主导地位。然而，开关电源多数是通过整流器与电力网相接的，经典的整流器是由二极管或晶闸管组成的非线性电路。这样就造成开关电源的输入阻抗呈容性，网侧输入电压和输入电流间存在较大相位差，输入电流严重非正弦，并呈脉冲状[1]，故功率因数极低，谐波分量很高，给电力系统带来了严重的谐波污染 。为此，国际电工委员会为各种电子设备制定了相应的谐波标准，我国国内的有关委员会也提出了相应的谐波标准。传统的整流电路因为谐波远远超标而面临前所未有的挑战。为了保证开关电源的输入电流谐波能够达到谐波标准的要求，绿化电网环境，功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）技术已经成为当今电力电子学领域十分活跃和颇具研究价值的热点。

实践表明，在增加开关电源类装置的功率因数，降低电流谐波含量方面，有源功率因数校正（APFC）技术是应用最为广泛和行之有效的方法。在我国对于电流谐波的要求规范、标准还不健全，有源功率因数校正技术的研究也是方兴未艾，但是它的重要性已经得到了广泛的认可。总之，在各种用电设备中采用 APFC 技术来提高功率因数，提高效率，提高可靠性，减少电源的整机成本，以及提高产品的竞争力方面都具有十分重要的意义。

1.2 功率因数

功率因数是电源对电网供电质量的一个重要衡量指标。根据电工学的基本理论，功率因数（Power Factor）定义为有功功率（P）和视在功率（S）的比值，用公式表示为

PF?PU1I1cos?1I1cos?1????cos?1 （1-1） FU1IRIR式中：

I1：输入电流基波有效值；

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