单周期控制的高功率因数整流器的研究Word文档下载推荐.docx
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1.2谐波的危害及限制标准2
1.3谐波抑制方法2
1.4整流技术的发展和应用3
第2章功率因数校正5
2.1功率因数校正的基本原理5
2.2PFC技术分类5
2.3常用功率因数校正方法5
2.3.1多脉冲整流法5
2.3.2无源校正5
2.3.3有源校正功率因数校正法（ActivePowerFactorCorrection--APFC）7
2.4功率因数校正电路的结构形式7
2.4.1PFC电路7
2.4.2主电路拓扑结构9
2.5功率因数校正控制方法10
2.5.1DCM控制11
2.5.2CCM控制模式12
第3章单相高功率因数校正电路的设计15
3.1基本原理15
3.1.1Boost—APFC电路的工作原理15
3.1.2Boost型整流电路基本控制电16
3.2电路设计17
3.2.1功率级电路17
3.2.2控制输入19
3.2.3乘法器20
3.2.4PWM比较器20
3.2.5电压误差放大器20
3.2.6电流误差放大器21
3.2.7输入的失真源21
3.2.8尖波失真22
3.3功率因数校正专用集成电路UC385422
3.3.1UC3854的组成结构23
3.3.2UC3854的关键特性23
3.3.3模块宏模型的构建25
第4章系统仿真28
4.1Saber软件简介28
4.2仿真参数29
4.3波形图30
4.4仿真波形图...........................................................................................................................................31
毕业设计小结32
参考文献33
致谢34
前言
近20年来，随着电力电子技术的不断发展，带非线性负载的电力电子装置应用日益广泛，电网系统中的谐波污染也日趋严重。
因此电力电子装置己经成为电网最主要的谐波源之一。
这些电力电子装置多数通过整流器与电力网接口，在电网中产生大量的电流谐波，成为电力公害。
因此，谐波问题引起人们越来越多的关注。
在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。
目前，常用的整流电路几乎都采用晶闸管相控整流电路或二极管整流电路的非线性电路，其中以三相桥式和单相桥式整流电路最多。
但工频二极管和晶闸管整流器存在两个缺点:
一是从公共连接点吸取高峰值脉冲电流，使网侧功率因数降低，网损增加;
二是给电网注入大量的谐波，造成严重的谐波污染。
带阻感负载的整流电路所产生的谐波污染和功率因数滞后已为人们所熟知。
直流侧采用电容滤波的二极管整流电路也是严重的谐波源。
这种二极管整流一滤波电容组合电路，其输入电流呈脉冲状，输入电流的基波分量相位与电源电压相位大体相同，因而基波功率因数接近1。
但其输入电流的谐波分量却很大。
交流网侧功率因数只有0.6至0.7，电流的总谐波畸变率THD高达100%（功率因数为0.99时，电流的总谐波畸变率THD约为3%），给电网造成严重污染。
采用相控方式的整流器、交流功率调整电路和周波变流器等电力电子装置，在工作时基波电压滞后于电网电压，要消耗大量的无功功率。
另外，这些装置也会在输入侧产生大量的谐波电流。
谐波源都是要消耗无功功率的。
除上述电力电子装置外，逆变器、直流斩波器和间接DC-DC变换器的应用也较多。
但这些装置所需的的直流电源主要来自整流电路，因而其谐波和无功功率问题也很严重，对谐波必须采取有效的抑制和改善措施。
对于作为主要谐波源且功率因数很低的整流器，抑制谐波和提高功率因数的两种典型代表方法是:
一是对电网实施谐波补偿的被动方法，装设补偿装置对其谐波进行补偿，即采用无源滤波或有源电力滤波电路来旁路或消除谐波:
二是对电力电子设备自身进行改进的主动方法，对整流器本身进行改进。
即设计新一代的高性能整流器（前置有源整流器），在整流器内部采取有源功率因数校正技术，从而改善整流器的工作原理，使其尽量不产生谐波，且电流和电压同相位，使之入端近乎纯电阻特性，实现高功率因数、低谐波整流。
相比而言，针对电网的谐波补偿是一种被动的方法，解决谐波问题的积极
方法是清除或降低电力电子设备产生的谐波污染。
单相整流电路的无源功率因数校正技术是在整流电路中用LC滤波器来增大整流桥导通角，从而降低电流谐波提高功率因数。
无源功率因数校正技术由于采用电感、电容、二极管等元器件代替了价格较高的有源器件，因而使开关电源的成本降低。
虽然采用无源功率因数校正不如有源功率因数高，但仍然能使电路的功率因数提高到0.7至0.8，电流谐波含量降到40%以下。
因而这种技术在中小容量的电子设备中仍被广泛采用。
第1章概述
1.1功率因数校正的目的与意义
传统上功率因数（PF）用cosφ表示，其中φ为电压与电流之间的相角差，这只有当电压和电流均为正弦时才正确，一般意义上的功率因数定义为:
根据正弦电路中有功功率（P）、视在功率（s）、功率因数的定义，有:
（1-1）
（1-2）
PF=有功功率/视在功率
（1-3）
其中,
为输入电流基波有效值:
（1-4）
为电网电流有效值:
（1-5）
式中
，
—电流的基波分量、二次谐波分量、…、n次谐波分量的有效值；
为输入电压基波有效值；
为输入电流的波形畸变因数；
为基波电压和基波电流的位移因数。
从式（1-3）可以看出，功率因数PF即为两个因子的乘积，它由输入电流的波形畸变因数
（与电流的波形有关）,以及基波电压电流的位移因数
（它描述了负载的电抗特性）决定。
定义总谐波畸变率（THD）为总谐波有效值与基波有效值之比，即:
（1-6）
由式（1-1）（1-6）可得THD与畸变因子
的关系为:
（1-7）
由前面的推导我们可以得出功率因数和总谐波畸变率的关系:
（1-8）
由式（1-8）可知，在cosφ一定时，THD越大，功率因数也就越低，因此，提高功率因数也就应该从减小基波电压、电流之间的相角差和总谐波畸变率THD方面入手。
1.2谐波的危害及限制标准
整流电路是电子设备中最基础并且应用最多的电路，广泛应用于电力、冶金、化工、通讯和家电等领域，如开关电源、通讯电源、交一直一交变频电源、直流调速电源、不间断电源（UPS）等，整流器是这些装置中的一个重要组成部分。
传统的开关整流电路是由二极管整流获得脉动的直流电源，再经大电容C滤波后给负载供电。
它的一个显著特点是:
在稳态时负载只在输入电压峰值附近获得电能，输入电流为尖脉冲。
图1-1给出传统的单相整流电路
图1-1单相整流电路
谐波电流对电网的危害主要表现在以下几个方面：
（1）谐波使电网中的元件产生附加的谐波损耗，降低发电、输电及用电设备的效率，大量的3次谐波流过中性线会使线路过热甚至发生火灾;
（2）谐波影响各种电气设备的正常工作，使电机发生机械振动、噪声和过热，使变压器局部严重过热，使电容器、电缆等设备过热、使绝缘老化、寿命缩短以至损坏;
（3）谐波会引起电网中局部的并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，会使上述
（1）和
（2）两项的危害大大增加，甚至引起严重事故;
（4）谐波会导致继电保护和自动装置的误动作，并使电气测量仪表计量不准确;
（5）谐波会对邻近的通讯系统产生干扰，轻者产生噪声，降低通讯质量，重者导致信息丢失，使通讯系统无法正常工作。
谐波的污染与危害己经引起了世界各国的广泛关注。
为了减小谐波危害，国际电工委员会（IEC）也于1982年制定了许多关于电磁兼容的国际标准。
IEC1000-3-2制定于1995年，是最新、最严格的标准，它适合于每相电流小于16A的电子设备此标准对谐波电流的限制参见表格。
1.3谐波抑制方法
为了满足谐波标准的要求，必须对电力电子装置等负载产生的谐波进行治理。
抑制电
力电子装置产生谐波的方法有两种:
一种是被动式的，即装设谐波补偿装置来补偿谐波;
另一种方法是主动式的，从源头入手，即设计输入电流为正弦、谐波含量低、功率因数高的高性能整流器。
（1）无源滤波器
传统的无源滤波器是采用LC调谐滤波器。
虽然这种方法既可以补偿谐波，又可以补偿无功功率，而且结构简单，一直被广泛使用。
但是这种方法的主要缺点是补偿特性受电网阻抗和运行状态的影响，易和系统发生并联谐振，导致谐波放大，使LC滤波器过载甚至烧毁。
（2）有源电力滤波器
有源滤波器是一种用于动态抑制谐波和补偿无功的电力电子装置，它能对大小和频率都变化的谐波以及变化的无功进行补偿，并能克服上述传统无源滤波器的不足。
有源电力滤波器的基本原理是从补偿对象中检测出谐波电流，由补偿装置产生一个与该谐波电流大小相等而极性相反的补偿电流，从而使电网电流只含基波分量。
这种滤波器能对频率和幅值都变化的谐波进行跟踪补偿，且补偿特性不受电网阻抗的影响。
它具有体积小、重量轻、功率因数接近1、输入电流总谐波含量降到10%以下等特点。
然而在实际中，产生合适的补偿电流是很困难的。
与设置补偿装置来补偿谐波和无功功率相比，在某种意义上说，进变流器自身性能的方法是一种更积极的方法，也是目前的研究热点之一。
（3）有源功率因数校正
有源功率因数校正技术（APFC）就是在整流电路和负载之间加入有源开关，应用电流反馈技术，使输入端电流波形跟踪交流输入正弦电压波形，可以使输入电流接近正弦，从而提高整流系统的功率因数。
其主要优点是:
可得到较高的功率因数，如0.97—0.99;
THD小;
可在较宽的输入电压范围和宽频带下工作;
体积重量小;
输出电压也保持恒定。
主要缺点是:
电路复杂，成木高，EMI高。
APFC技术虽然在80年代开始兴起，但发展很快，目前单相APFC技术相当成熟。
（4）PWM整流技术
目前，PWM技术小但用于逆变电路，也开始用于整流电路。
通过对PWM整流电路的适当控制，可以得到与电源电压同相位或反相位的输入电流，从而使功率因数接近1。
这种整流电路又称为单位功率因数变流器。
它对电网小产生谐波污染，是一种真正意义上的“绿色环保”电力电子装置。
1.4整流技术的发展和应用
从电力电子技术发展来看，整流器是较早应用的一种AC/DC变换装置。
整流技术的发展是随着功率半导体器件的发展而发展的，所以，整流技术也经历了不控整流器、相控整流器到PWM整流器的发展过程。
对整流技术有变革意义的是PWM整流技术。
所谓的PWM技术，就是利用半导体器件的开通和关断把直流电压变成一定形状的电压脉冲序列，以实现变频变压及控制和消除谐波的目标的一门技术。
PWM整流技术的诸多优点，使它成为人们研究的热点。
研究主要集中在拓扑结构、建模和控制策略上的。
整流技术最突出的应用是在交流变频传动上。
变频调速技术山于其优良的调速性能成为电机调速主要控制技术。
对于比较常用和成熟的交一直一交变频方案，它包括整流和逆变两个小可缺少的环节。
其中整流就是要把土频交流电变为直流电，为逆变器提供直流电源，所以整流器的土作直接影响着变频器的性能。
通用变频器一般采用整流一极管小控整流桥得到脉动直流电，再经电解电容滤波稳压，最后经无源逆变输出电压、频率可调的交流电动机供电，但是通用变频器直接用于需要快速起、制动和频繁正、反转的调速系统。
因为这种系统要求电机四象限运行，当电机减速、制动或者带位能性负载重物下放时，电机处于再生发电状态。
由于二极管不可控整流器能量传输不可逆，产生的再生电能传输到直流侧滤波电容上，产生泵升电压。
而以GTR、IGBT为代表的全控型器件耐一压较低，过高的泵升电压有可能损坏开关器件、电解电容，甚至会破坏电机的绝缘，从而威胁系统安全土作，这就限制了通用变频器的应用范围。
所以能量回馈问题就提了出来，关于这方而的研究也很多。
而PWM整流技术的出现很好地解决了这一问题。
整流和逆变均采用PWM控制方法，所以又称为双PWM变频技术。
双PWM控制技术打破了过去变频器的统一结构，它具有输入电压、电流频率固定，波形均为正弦，功率因数接近1，输出电压、电流频率可变，电流波形也为正弦的特点。
所以双PWM技术将给变频器增添新的生机。
第2章功率因数校正
2.1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变（PWM）技术来调整输入功率的大小，来供应适当的负载所需的功率。
脉冲波宽度调变器控制切换开关将直流输入电压变成一串电压脉冲，随后利用变压器和快速二极管将其转成平滑的直流输出。
这个输出电压随即于一个参考电压（这个电压式电源供应器应该输出的标准电压值）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宽度的大小，如果输出电压过高，脉冲宽度会减小，进而使输出电压信号降低，易使输出电压恢复至正常输出值。
PFC电路也是运用这个方法，都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位。
此时误差电压信号的调变是有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收较多的功率；
反之，若交流电压较低，则吸收较少的功率，如此可以抑制交流电流谐波的产生。
2.2PFC技术分类
根据电网供电方式，PFC电路分为PFC单相电路和三相PFC电路；
根据电路构成，PFC电路分为有源PFC电路和无源PFC电路。
PFC技术有多种分类方法，一般认为有来年各种基本的有源PFC技术，其中一种是变换器工作在连续导电模式下的乘法器型PFC技术，另一重是变换器工作在变连续导电模式下的电压跟随型的PFC技术。
实际上还有磁放大PFC技术，三电平（Three-level）PFC技术和变连续电容电压模式（DCVM）PFC技术等。
2.3常用功率因数校正方法
2.3.1多脉冲整流法
它的基本原理是利用变压器对各次不同谐波电流进行移相，使奇次谐波在变压器次级相互叠加而取消。
这种方法在变压器负载平衡的状态下对减小输入端的低次谐波是有效的。
2.3.2无源校正
无源校正方法即通过无源元件电阻、电容、电感,以降低整流器注入电网的谐波电流
含量和提高其网侧功率因数。
无源校正方法大致可分为3种:
一般方法、串型联谐振法和并联型
2.3.2.1常用方法
图2-1为单相不控整流电路功率因数常用校正方法的原理电路。
可以看出这一方法具有结构简单、元件少、成本低、可靠性强和工作稳定性好等优点。
在这里,以往在设计电感和电容时,主要从降低直流侧电压或电流的脉动系数,从而减小其对负载的影响的角度考虑。
实际上,电压脉动的大小主要取决于电容,入端谐波含量和功率因数的大小则更取决于电感的设计。
因此,电感的设计主要以降低谐波电流含量为依据。
此方案首先由加拿大的S.B.Dewan教授提出,应用于单相不控整流电路,A.W.Kelly将其应用于三相不控整流电路中。
研究表明,在入端加较小的相移校正电路,功率因数可达0.9左右。
这种校正方法的主要缺点是滤波电感体积大,不利于缩小整机体积;
功率因数的进一步提高非常困难;
谐波电流含量仍然较大,不能满足实际要求;
电感压降大,使得直流侧电压变化范围大,对整机性能不利。
图2-1常用方法原理图
2.3.2.2串型联谐振法
图2-2是单相不控整流电路功率因数串型联谐振方法的原理电路。
通常整流电路注入电网的三次谐波电流含量最大（一般大于70%）,因此在实际应用中,将LC调谐到三次谐波频率,即对三次谐波而言阻抗为无穷大（理论上）,这样能有效地抑制三次谐波电流注入电网。
串型联谐振法由于不增加无功损耗,因此能使功率因数明显提高（接近0.9）,谐波电流含量亦有明显减少。
同样存在着功率因数的进一步提高非常困难,谐波电流含量仍然较大,在某些场合不能满足实际要求等不足。
图2-2串型联谐振方法的原理电路
2.3.2.3并型联谐振法
图2-3是单相不控整流电路功率因数并联型谐振方法的原理电路。
同样在实际应用中,将LC调谐到三次谐波频率,即对三次谐波而言阻抗为无穷小（理论上）,这样能有效地抑
制三次谐波电流注入电网,减小了电流波形的畸变程度。
但是并联型谐振法不但没能提高网侧功率因数,反而使功率因数降低了,因为这种并型联谐振滤波的作用就像一个工作在市电频率下的静止无功发生器,从而增加了无功损耗。
因此,无源方法校正功率因数、降低谐波电流含量,虽然电路简单,但有明显的局限性,而且直波侧动态性能差。
为此,人们更注重有源校正方法的研究。
图2－3并联型谐振方法的原理电路
2.3.3有源校正功率因数校正法（ActivePowerFactorCorrection--APFC）
有源校正功率因数校正直接采用有源开关或AC/DC变换技术，使输入电流成为电网电压同相位的正弦波。
在整流器和负载之间介入一个开关变换器，应用电流反馈技术，使输入端的电流波形跟踪交流输入正弦电压的波形，从而使电网输入端的波形比基尼正弦波，并与输入的电网电压通相位。
这种方法的主要优点是：
可得到较高的功
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