反激式PFC开关电源的研究与设计

夏明豪，杨文焕，夏天宇，石 俊

(上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093)

随着电力电子装置和电源的广泛应用，输入电网的谐波电流显著增加，使供电网受到很大的污染。为减少电子设备对交流电网的谐波污染，越来越多的国家对用电设备的输入电流谐波含量进行限制，从1994年1月开始，美国、欧洲、日本相继颁布规定禁止没有进行功率因数改善和谐波抑制的供电装置进入市场，并针对高次谐波电流和功率因数制定了详细的国际标准，如 IEC555－2、IEEE519、IEC1000 －3 －2 等［1］。因此，研究具有高功率因数和低谐波污染的电源装置变得迫切，这也促使了世界各地的电源开发研究机构投入了大量的人力和物力来研究这一课题［2］。

本文将针对传统开关电源中存在的功率因数低、谐波污染大等问题，研究高功率因数开关电源以提高电能的利用率，减少对电网的污染［3］。文中采用平均电流型控制作为控制策略，以反激式电路作为主拓扑结构，结合DC/DC变换器与传统的Boost型PFC电路的特点，设计一款新型多路输出高功率因数开关电源。高功率因数开关电源技术及其产业的发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的技术支撑，并将对现代生产和生活产生深远的影响。

1 有源功率因数校正原理及控制方法

1.1 主电路拓扑结构

该有源功率因数校正的结构如图1所示，由整流电路、反激式DC/DC变换电路、输出滤波电路和控制电路，驱动电路等组成。

图1 PFC电路结构框图

在整流电路和滤波电容之间接入一级DC/DC变换电路，使得整流电路由原来的容性变为纯阻性，使输入电流由尖脉冲变为正弦波。基本思想是将整流电路与滤波电容隔开使整流电路由容性负载变为阻性负载。有源功率因数校正技术采用反馈控制手段，取出电路中的输入电流和输出电压信号，对全控型功率开关器件的通断进行控制，使其变为与电压波形同频率、同相位的正弦波，功率因数达到1，减小了电路中的无功功率和谐波电流，提高了功率因数［4］。

1.2 PFC技术控制方法

采用平均电流型控制的PFC原理图如图2所示。平均电流型控制的工作原理为:工作在电流连续的情况下，通过控制电感电流的平均值实现功率因数校正，电路中含有电压闭环和电流闭环两个控制环。输出电压U0经过分压器1/H后得到信号U0/H，U0/H与参考电压Vref比较后，经过电压误差放大器放大，得到的输出信号作为乘法器的一个输入信号，乘法器的另一个信号为经整流后的电压Vdc再经过分压网络1/K后所得到的信号Vdc/K，乘法器输出的信号为电流基准信号，与电感上的电流经过检测电阻Rs的信号iLRs经过电流误差放大器被平均化处理放大，产生的平均电流误差信号与锯齿波信号比较后输出的信号作为开关管VT的驱动信号［5］。

图2 平均电流型控制的PFC原理图

电压误差放大器，电流误差放大器的工作原理如图3和图4所示。

图3 电压误差放大器

图4 电流误差放大器

在图3中，由运放的基本特性可得

即

将R0，R1和C1的值带入，即可得电压闭环的PID参数。同理，在图4中

可得

将 R1，R2，R3，C1和 C2的值带入，即可得电流闭环的PID 参数［6］。

2 电路仿真及其结果分析

2.1 仿真电路搭建

利用Matlab/Simulink软件搭建系统的仿真模型，如图5所示。基于上述分析，将各个模块组合搭建成基于反激式变换电路的PFC仿真模型。

图5 反激式电路系统仿真模型

2.2 仿真结果分析

仿真电路相关的参数设置为:输入220 V交流电压，多路输出的电压分别为24 V，12 V和5 V，电路中的电感为2.5 mH，输出直流母线电容均为470μF，锯齿波频率为50 kHz。输出结果如图6所示。

图6 未加入PFC电路时的输入电压和电流波形

图7 加入PFC电路时的输入电压和电流波形

由图6和图7分析可得出，电路未加入PFC电路时，电流波形不能跟随电压波形变换，电流中含有大量的谐波成分，功率因数低。

由图8和图9分析可以得出，电路没有加入PFC电路时，输入电流的THD=85.25%，电路加入PFC电路后，输入电流的THD=4.34%，电流的谐波含量明显降低。

图8 未加入PFC电路时的输入电流FFT分析结果

图9 加入PFC电路后的输入电流FFT分析结果

由图10和图11分析可得出，电路未加入PFC电路时，输入电路的功率因数较低;电路加入PFC电路后，输入电路的功率因数接近1，功率因数明显提高。

图10 未加入PFC电路时的功率因数曲线

图11 加入PFC电路后的功率因数曲线

由图12可知，该模型的输出电压稳定，纹波系数较小。

图12 多路输出开关电源的输出电压特性曲线

3 结束语

本文仿真源至于实际的系统设计，而通过模型仿真又验证并指导了系统设计。在Matlab R2010a/Simulink仿真环境下，搭建基于反激式变换电路的有源功率因数校正仿真电路，实验效果良好，验证了控制策略的正确性。

［1］国家技术监督局.GB/T 14549－93.电能质量公用电网谐波［M］.北京:中国标准出版社，1993.

［2］杨旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术［M］.北京:机械工业出版社，2005.

［3］王鸿麟，景占荣.通信基础电源［M］.西安:西安电子科技大学出版社，2001.

［4］Yu Tao，Sung Junpa.A novel ripple－ reduced DC － DC converter［J］.Journal of Power Electronics，2009，9(3):396－402.

［5］陆治国，胡红琼.一种新型的电流型功率因数校正控制方法［J］.电气应用，2007，26(11):40 －44.

［6］何茂军，李晓帆，付应红.PFC高频整流器控制原理与控制策略的研究［J］.电力电子技术，2000(5):15－17.