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） 第3章 APFC电路的设计

3.1 APFC电路的选择

Boost 型 APFC 电路的输入电流必须被强制或调节到同输入电压成正比，需要反馈信号来控制输入电流，可采用峰值电流型控制，滞环电流型控制和平均电流型控制。峰值电流型控制有一个低增益、宽频带的电流环，其通常不适于高性能的 APFC，因为在调节信号和电流之间存在严重误差，这将产生畸变和低功率因数；滞环电流控制由于负载大小对开关频率影响很大，无法得到体积和重量最小的设计；而平均电流型控制则在围绕升压功率级的反馈环路中用一个放大器使输入电流以极小的误差跟踪调节信号，达到高功率因数，同时相对比较容易控制，而且定频电流控制，稳定性高、失真小，对于中、大功率开关电源比较适合。本章首先来分析平均电流控制 Boost 型 APFC 电路的工作原理，然后在此基础上对其进行小信号建模。相比较而言，升压式APFC具有功率因数高，电流波形失真小，输出电压高等显著优点，因此，功率因数校正电路选择升压型主电路。

L

VD Vo

R 负 S Vi ~ C 载 输出电输入电 压检测 流检测

输入电

压检测 驱动 CA +

乘法器 -

-

+ VA Vref 图3-1 Boost有源功率因数校正原理图

14

东北石油大学本科生毕业设计（论文） 根据第二章中关于APFC控制方式的介绍，结合各自的优缺点，我们选择CCM控制模式下的平均电流控制方案，并基于集成芯片UC3854设计起参数和建立仿真模型。UC3854是美国Unitrode公司开发的基于平均电流的Boost型APFC控制IC，具有带宽高，输入电流跟踪能力强等优点。

APFC电路同时具有整流和稳压功能，即整流要求输入功率因数为1，稳压要求输出电压稳定。为此，PFC电路必须同时引入电压和电流反馈构成一个双环控制系统，外环实现输出电压稳定，内环实现输入电流整形，使之成为与输入电压同相位的标准正弦波。

现介绍Boost型功率因数校正电路的基本原理[9]。图3-1所示为一个Boost有源功率因数校正器的原理图。主电路由单相桥式整流器和DC/DC变换器组成，控制电路包括基准电压Vref及电压误差放大器VA、乘法器M、电流误差放大器CA、脉宽调制器和驱动器等组成，负载可以是一个开关电源。

Boost型APFC的工作原理如下：主电路的输出电压与基准电压值比较后，输入给电压误差放大器，电压误差放大器的输出和整流后的输入电压共同加到乘法器中，乘法器的输出作为电流反馈控制的基准值，与检测到的输入电流信号进行比较后，输入到电流误差放大器并加到PWM及驱动器，来控制开关S的通断，从而使输入电流（即电感电流）与整流输入电压波形基本同相，使电流谐波大为减少，提高了输入端功率因数，同时保持输出电压稳定。

3.2 APFC电路的参数设计

本文说研究的单相Boost有源功率因数校正器，其技术指标如下： 输入交流电压Vin：80~270V 输入频率f：50Hz 输出直流电压Vo：400V 开关频率fs：100KHz 输出功率P：500W 功率因数PF：>0.99

功率因数校正主要实现两个目的：控制输入电流波形，使其跟踪输入电压波形，从而得到高输入功率因数；为后一级电路提供平滑的直流电压。

3.2.1 主电路设计

（1）升压电感

电感器在线路中起着能量的传递、储存和滤波等作用，并决定了输入端的高频纹波电流总量，因此按照限制电流脉动最小的原则来确定电感值。考虑最差的情况:输出功率最大，输入电压最低。此时，输入电流最大，纹波也最大，为了保

15

东北石油大学本科生毕业设计（论文） 证在这种情况下输入电流的纹波仍然满足要求，电感的设计应该在输入电压最低的点进行计算。

设最大峰值电流IPK为：

IPK?2PINVINmin?2?500?8.84(A) 80式中，令PIN?Po。

设定允许的电感电流的最大纹波?IL，通常选择在最大峰值线路电流的20%左右，即允许的电感电流由20%的波动，由?IL?0.2IPK?0.2?8.84?1.8(AP?P)确定电感电流出现最大峰值时的占空比，当输入电压达到峰值的时候，输入电流也应该达到峰值，此时的电流纹波最大，因此，应在最小输入电压的峰值点处计算占空比，有

D?Vo?2VINmin400?2?80??0.71

Vo400计算升压电感值为：

L?2VINmin?D2?80?0.71??0.45(mH)

fs??IL100000?1.8本设计中L实取值为0.5mH。 （2）输出电容

本设计以满足维持时间要求为准则。维持时间是指在输入电源被关闭之后，输出电压仍然保持在规定范围内的时间长度。维持时间是以下电参量的函数：储存在输出电容器中的能量总和、负载功率、输出电压及能使负载工作的最小电压。所以用维持时间?t来确定输出电容值的计算公式为：

C?2Po??t (3-1) 22U0?Uo(min)取?t为36ms，则

C?2?500?0.036?960?F 22400?350电容C取值为960?F。 （3）电流取样电阻

通常有两种电流传感检测方法，即在变换器接地线返回端串联一个取样电阻来检测输入电流或用两个电流互感器。采用取样电阻检测输入电流要比电流互感器成本低，它主要使用于功率和输入电流较小的场合。故本设计选择取样电阻来检测输入电流的方法。电流取样电阻Rs上的压降Vs作为输入电流取样信号，通过电流环的调节作用，使输入电流呈正弦波形。电流取样电阻Rs上的电压的典型值为Vs?1.0V。

16

东北石油大学本科生毕业设计（论文） 求出IPK(max)?IPK??I2?8.84?0.9?9.74(A)

电流取样电阻值Rs?1IPK?19.74?0.1(?)，选取0.15? 峰值检测电压的实际值VRS?IPK?Rs?8.84?0.15?1.3(V)。 （4）功率开关管和二极管

当功率开关管导通时，二极管反向截止，流经开关管的电流为电感电流，二极管上的反向电压为输出电压；当功率开关管关断时，二极管正向导通，开关管上的电压为输出电压，流经二极管的电流为电感电流。因此在选择功率开关管和二极管时，其额定电压必须大于输出电压，额定电流必须大于电感电流的最大值。电压考虑1. 2倍的安全裕量，电流考虑1. 5倍的安全裕量，则

VCEM(s)?1.2Vo?1.2?400?480V，ICEM(s)?1.5IL(max)?1.5?8.84?13.26A。

3.2.2 控制电路的设计

（1）控制电路的建模[10][11] 1）电流调节器的建模

电流控制环由电流误差放大器、PWM比较器和功率级组成，电流环的结构图如图3-2所示。图中GCA(s)是电流误差放大器的传递函数，GPWM(s)是脉冲宽度调节器PWM的传递函数，GPS(s)表示主电路上RS两端电压受占空比D控制的小信号传递函数。

功率级传递函数：

GPS(s)?VS(s)VD(s)RSVoRS?oON? （3-2）

DON(s)DON(s)sLsL式中VS(s)为取样电阻RS上的电压，Vo为功率电路输出电压，L为功率电路电感。

IMCR + - GCA(s) GPWM(s) GPS(s) Vs(s) 图3-2 电流控制环结构

PWM比较器的传递函数为：

GPWM(s)??DON1? （3-3） ?V?VS 17