中心議題：

• 高功率因數開關電源的設計方案
• 單相PWM 整流電路的基本原理
• 有源功率因數校正技術

解決方案：

• 采用PWM 整流技術的開關電源
• 采用APFC技術的開關電源　　

引言　　

傳chuan統tong的de開kai關guan電dian源yuan整zheng流liu電dian路lu普pu遍bian采cai用yong不bu可ke控kong二er極ji管guan或huo相xiang控kong晶jing閘zha管guan整zheng流liu方fang式shi
，直zhi流liu側ce采cai用yong大da電dian容rong濾lv波bo，輸shu入ru電dian流liu諧xie波bo含han量liang大da，功gong率lv因yin數shu低di，造zao成cheng了le嚴yan重zhong的de電dian網wang汙wu染ran和he能neng源yuan浪lang費fei。目mu前qian，解jie決jue諧xie波bo問wen題ti
、提高功率因數的主要方法：（1）對(dui)產(chan)生(sheng)諧(xie)波(bo)的(de)電(dian)力(li)電(dian)子(zi)裝(zhuang)置(zhi)的(de)拓(tuo)撲(pu)結(jie)構(gou)和(he)控(kong)製(zhi)策(ce)略(lve)進(jin)行(xing)改(gai)進(jin)



，使(shi)其(qi)產(chan)生(sheng)較(jiao)少(shao)的(de)諧(xie)波(bo)甚(shen)至(zhi)不(bu)產(chan)生(sheng)諧(xie)波(bo)
，使(shi)得(de)輸(shu)入(ru)電(dian)流(liu)和(he)輸(shu)入(ru)電(dian)壓(ya)同(tong)相(xiang)，達(da)到(dao)提(ti)高(gao)功(gong)率(lv)因(yin)數(shu)的(de)目(mu)的(de)
，如(ru)PWM整流技術；（2）在整流橋和濾波電容之間加一級用於功率因數校正的功率變換電路，如有源功率因數校正（APFC）技術。近些年來APFC技術和PWM 技術在中

、小功率乃至大功率開關電源中得到了普遍應用。本文以高功率因數開關電源作為研究對象
，分析采用APFC技術和PWM 整流技術來提高功率因數的原理，並采用Matlab7.6軟件對單相電壓型PWM 整流電路和APFC電路進行了仿真及分析比較。　　

1 高功率因數開關電源的設計方案　　

1.1 采用PWM 整流技術的開關電源　　

采用PWM 整流技術的高功率因數開關電源的結構如圖1所示，本文隻探討其中的PWM 整流電路部分。
 

圖1 采用PWM 整流技術的高功率因數開關電源結構　　

該種高功率因數開關電源設計方案采用PWM整流技術和DSP技術，能數字化地實現整流器網側單位功率因數正弦波電流控製，比較適合應用於中等功率開關電源設計中。　　

1.2 采用APFC技術的開關電源　　

采用APFC技術的高功率因數開關電源
，其前級APFC電路采用實際生產中應用最廣泛的Boost拓撲結構，負責使交流輸入電流正弦化並使其與輸入電壓同相位，同時保持輸出電壓穩定；後級DC/DC變換電路采用能實現多路輸出的反激式拓撲結構，主要負責調整輸出電壓，通過DC/DC變換得到所需要的直流電壓，其結構如圖2所示。
 

圖2 采用兩級型APFC的高功率因素開關電源結構

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2 單相PWM 整流電路的基本原理　　

本節采用圖1所示的方案，其前級如圖3所示
，即單相全橋電壓型PWM 整流電路
，電路采用有4個全控型功率開關管的H 橋型拓撲結構。圖3中網側電感為升壓電感，起平衡電路電壓
、支撐無功功率、儲存能量和濾除諧波電流的作用；Rs為濾波電感的寄生電阻
；主電路中功率開關均反並聯一個續流二極管
，用來緩衝PWM 過程中的無功電能。　　

單相全橋電壓型PWM 整流電路的SPWM 調製方法分為單極性調製和雙極性調製兩種，本文采用單極性調製。　　

單相全橋電壓型PWM 整(zheng)流(liu)器(qi)選(xuan)擇(ze)響(xiang)應(ying)速(su)度(du)較(jiao)快(kuai)的(de)三(san)角(jiao)波(bo)電(dian)流(liu)比(bi)較(jiao)法(fa)作(zuo)為(wei)控(kong)製(zhi)策(ce)略(lve)。因(yin)反(fan)饋(kui)到(dao)電(dian)壓(ya)外(wai)環(huan)的(de)輸(shu)出(chu)電(dian)壓(ya)含(han)有(you)紋(wen)波(bo)電(dian)壓(ya)
，而(er)紋(wen)波(bo)電(dian)壓(ya)的(de)存(cun)在(zai)將(jiang)導(dao)致(zhi)電(dian)流(liu)內(nei)環(huan)的(de)給(gei)定(ding)電(dian)流(liu)發(fa)生(sheng)畸(ji)變(bian)，因(yin)此(ci)本(ben)文(wen)采(cai)用(yong)補(bu)償(chang)輸(shu)出(chu)直(zhi)流(liu)電(dian)壓(ya)中(zhong)紋(wen)波(bo)電(dian)壓(ya)的(de)方(fang)法(fa)[4]來減少流入電壓控製環的紋波電壓，從而改善給定電流的波形。按照以上原理設計的單相全橋電壓型PWM整流器的控製係統結構如圖4所示。
 

圖4 單相全橋電壓型PWM 整流器的控製係統結構

由圖4可知，PWM 整流控製係統中需要檢測的信號有輸入交流電壓us、輸出直流電壓ud以及輸入交流電流is.us是閉環控製中相位檢測的輸入信號；通過比較ud與給定參考電壓u*d以及直流側紋波電壓補償u~d來決定電壓外環PI調節器的輸出im,並將其與輸入電壓同步信號sinωt的乘積作為指定電流i*s ;is與i*s的差值決定電流內環PI調節器的輸出
；最後比較電流內環PI調節器的輸出與三角載波，產生PWM 信號來控製開關管的關斷。這樣
，電流PI調節器的輸出決定PWM 信號的占空比，使實際輸入電流逼近指定電流值。

3 有源功率因數校正技術　　

本節采用如圖2所示的方案，基於Boost-APFC的功率因數校正電路如圖5所示。該電路由主電路和控製電路組成。主電路包括橋式整流器、升壓電感、功率開關管
、續流二極管以及濾波電容等，控製電路包括電壓誤差放大器VA、電流誤差放大器CA、基準電壓源、乘法器、PWM 比較器以及柵極驅動器。
 

圖5 基於Boost-APFC的功率因數校正電路　　

工作原理：APFC主電路的輸出電壓經電阻分壓後與基準電壓相比較

，誤差值輸入到VA;VA 輸出信號X與輸入電壓檢測信號Y一起輸入乘法器，經過平均化處理
、放大、比較後，再經過PWM 比較器加到柵極驅動器
，產生對開關管VT的控製信號，從而使電感Ls上的電流（即輸入電流）平均值始終跟蹤模擬乘法器輸出的半正弦信號，即跟蹤了輸入電壓波形，並實現了輸入電流正弦化，使功率因數接近1,達到校正功率因數的目的。　　
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4 仿真分析　　

4.1 PWM 整流器電路仿真與分析　　

采用Matlab7.6對所設計的單相全橋電壓型PWM 整流器進行建模和仿真，在Simulink中搭建仿真模型
，主電路仿真參數：峰值電壓為311V,頻率為50Hz,相位為0°，采樣時間為0s;Ls=2mH,Rs=0.5Ω，直流側濾波電容Cd=2 500μF,直流側負載電阻RL=50Ω

；從Power Electronics中調用Universal Bridge 模塊，並將其設置成二橋臂IGBT/Diodes模式，仿真算法設置為可變步長類算法中的ode45算法。　　

交流輸入側電壓與電流的仿真波形如圖6所示，可見交流側電流、電壓能始終保持同相，且電流能實現正弦化。直流側輸出電壓波形如圖7所示
，可見0.06s後輸出電壓穩定在400V左右。

在Powergui模塊中對電路進行FFT分析，在Available Signals中進行相關設置後對輸入側電流進行諧波分析，結果如圖8所示。由圖8可知，總諧波畸變率DTH=0.77%,實現了係統低諧波畸變率的目標
，電流諧波得到了很好的抑製。
 

圖8 輸入側電流諧波分析結果　　

PWM 整流器功率因數波形如圖9所示。由圖9可知，電路功率因數始終大於0.985,且工作0.03s後功率因數能達到1.
 

圖9 整流器功率因數波形　　

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4.2 單相APFC電路仿真與分析　　

單相APFC電路采用Matlab7.6進行建模與仿真。圖10為APFC電路輸入電壓和電流波形，可見網側輸入電流由窄脈衝波形變成正弦電流波形，且與輸入電壓同相位。圖11為APFC電路輸出電壓波形
，可見經過60ms的軟啟動過程之後，輸出電壓穩定在400V左右，滿足設計要求。圖12為APFC電路輸入電流諧波分析結果，可見除基波外

，其餘諧波含量均很小。　　

由圖12可知
，輸入電流DHD為0.256 5.功率因數計算公式為PF=γcosφ
，其中r 為基波因子。　　

由於輸入電流與電壓基本同相位，即相位差φ 為0,則：　　


5 結語　　

采用功率因數校正技術和PWM 整流技術設計了兩種高功率因數的開關電源

，采用Matlab7.6建立仿真模型。由仿真結果可知
，采用DSP 芯片TMS320LF2407設計的前級單相全橋電壓型PWM整流電路功率因數大於0.985,並在電路穩定後達到1,大於APFC電路的功率因數0.969;且電壓型PWM 整流電路電流總諧波畸變率為0.77%,遠小於APFC電路的總電流諧波畸變率25.65%.兩者相比，單相全橋電壓型PWM 整流器能更好地實現輸入側電流的正弦化和與輸入側電壓的同相位，能更徹底地解決傳統開關電源電流諧波大


、功率因數低的問題，更好地實現綠色電能轉換的目標。但是電壓型PWM 整流器成本較高，在實際應用中應根據具體需求選擇適合的類型.