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中图分类号：TM933 文献标识码：A
摘要：论文分析了开关电源的原理、分类、应用领域及发展趋势，然后对有源功率因数校正的基本原理，基本变换电路进行了比较和分析，在此基础上，明确了本文研究的对象为平均电流控制的Boost型APFC电路。最后，设计完成了基于UC3854的250W Boost型APFC电路，并用Saber对电路进行了建模和仿真分析。在电路原理分析及电路设计的基础之上，运用仿真软件Saber对Boost型APFC电路的主电路和控制电路分别进行了建模和仿真分析，仿真结果均达到预定指标，验证了本文理论分析和电路设计的正确性。
关键词：开关电源；有源功率因数校正；Boost变换器
引言
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成，由于其效率高，体积小，重量轻等优点自上世纪90年代来得到了广泛的应用[1]。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，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[2]。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，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[3]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。
一、有源功率因数校正的基本原理
（一）功率因数的定义
功率因数（PF）[4]定义为交流输入有功功率（P）与交流输入视在功率（S）的比值，用公式表示为
（二）有源功率因数校正的基本原理
有源功率因数校正（APFC）是抑制电流谐波，提高功率因数最有效的方法，其原理框图如1-1所示。其基本思想是：交流输入电压经整流后，对所得的全波整流电压进行DC-DC变换，通过适当控制使输入电流平均值自动跟随全波整流后的电压波形，使输入电流正弦化，同时保持输出电压稳定。
PFC电路一般都有两个反馈控制环：内环为电流环，使DC-DC变换器的输入电流与全波整流电压波形相同；外环为电压环，使DC-DC变换器输出稳定的直流电压。
二、有源功率因数校正的主电路拓扑结构
从拓扑结构上来说，Buck、Boost两种变换器最为基本，而其它的变换器结构都是由这两种基本结构演变而来的。
Buck变换器又名降压变换器、串联开关稳压器或三端开关型降压稳压器，基于Buck电路的PFC变换器基本电图拓扑结构如图2-1（a）所示。当开关按脉冲信号工作时，Buck变换器能将输入电压转换成更低的输出电压，实现降压的功能。基于Buck电路的PFC变换器可工作在CCM和DCM状态，但无论其工作在CCM或DCM状态，输入电流在每个开关周期内都是断续的，同时开关管在输入电源电压过零点附近关断，输入电流为零，难以得到高的功率因数。
Boost变换器又名升压变换器，并联开关电路或三端开关型升压稳压器。其基本电路拓扑结构如图2-1（b）所示，也是由开关S，二极管VD，变换电感L和蓄能电容C组成。在实际实现中，开关S可以由一只功率开关管Q实现，开关管Q交替地开启和关断，就可以实现升压变换的功能。
当开关管Q导通时，如图2-2（a）所示电流IL流过电感线圈L，电流线性增加，电能以磁能形式储在电感线圈L中；此时，电容C放电，R上流过电流IO，R两端为输出电压VO，极性上正下负；二极管阳极接Vi负极，二极管承受反向电压，所以电容不能通过开关管放电。当开关管S断开时，构成的电路如图2-2（b）所示，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持IL不变。这样线圈L磁能转化成的电压VL与电源电压VI串联，以高出VO电压向电容C、负载R供电。高于VO是，电容有充电电流；等于VO时，充电电流为零；当VO有降低趋势是，电容向负载R供电，维持VO不变。
三、BOOST型APFC电路的设计
（一）主电路Boost变换器的设计
（二）仿真参数设置
本文拟设计一个单相有源功率因数校正电路，其技术指标如下：
（l）额定输出功率PO：250W
（2）交流输入电压范围UIN：80-270V
（3）输出直流电压UO：400V
（4）开关频率：100 kHz
（5）功率因数：95%以上
四、仿真试验
SABER作为混合仿真系统，可以兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，便于在不同层面上分析和解决问题，其他仿真软件不具备这样的功能。
（一）输入交流电压为80V加PFC后的波形
（a）.输入电压电流波形
（b）.输出电压波形
（二）输入交流电压为270V加PFC后的波形
（a）.输入电压电流波形
（b）.输出电压波形
可以看出，系统加APFC电路时，网侧输入电流由窄脉冲波形变成严格的正弦电流波形，且与输入电压同相位。因此，APFC使用时，Boost变换器可看作一个纯电阻。Boost型APFC实验装置可以达到预期效果，实现输入电流的整形，输出电压稳定，保证输入功率因数PF=1。按论文方法设计Boost型APFC变换器的调节参数可获得满意的效果，说明这种设计方法的合理性。
五、结论
本文对单相有源功率因数校正电路进行了深入的研究。并进行了相关的仿真试验。分析比较了在输入电压取不同值时的各种波形，得出了期望的结果。
参考文献：
[1] 张卫平.绿色电源-现代电能变换技术及应用.北京：科学出版社，2001：10-50
[2] O.D.Patterson and D.M.Divan. Pseudo-resonant full bridge dc/dc converter.in Proc.IEEE PESC’87 Conference，1987：424-430.
[3] 杨旭，裴元庆.开关电源技术.北京：机械工业出版社，2004，5：206-262
[4] 柴贵兰等.有源功率因数校正技术的研究[硕士学位论文].西安：西安科技大学，2006
[5] 严百平等.不连续到点模式高功率因素开关电源.北京：科学出版社，2000：1-9
[6] 周志敏等.开关电源功率因数校正电路的设计与应用.北京：人民邮电出版社，2004：1-17
摘要：论文分析了开关电源的原理、分类、应用领域及发展趋势，然后对有源功率因数校正的基本原理，基本变换电路进行了比较和分析，在此基础上，明确了本文研究的对象为平均电流控制的Boost型APFC电路。最后，设计完成了基于UC3854的250W Boost型APFC电路，并用Saber对电路进行了建模和仿真分析。在电路原理分析及电路设计的基础之上，运用仿真软件Saber对Boost型APFC电路的主电路和控制电路分别进行了建模和仿真分析，仿真结果均达到预定指标，验证了本文理论分析和电路设计的正确性。
关键词：开关电源；有源功率因数校正；Boost变换器
引言
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成，由于其效率高，体积小，重量轻等优点自上世纪90年代来得到了广泛的应用[1]。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，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[2]。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，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[3]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。
一、有源功率因数校正的基本原理
（一）功率因数的定义
功率因数（PF）[4]定义为交流输入有功功率（P）与交流输入视在功率（S）的比值，用公式表示为
（二）有源功率因数校正的基本原理
有源功率因数校正（APFC）是抑制电流谐波，提高功率因数最有效的方法，其原理框图如1-1所示。其基本思想是：交流输入电压经整流后，对所得的全波整流电压进行DC-DC变换，通过适当控制使输入电流平均值自动跟随全波整流后的电压波形，使输入电流正弦化，同时保持输出电压稳定。
PFC电路一般都有两个反馈控制环：内环为电流环，使DC-DC变换器的输入电流与全波整流电压波形相同；外环为电压环，使DC-DC变换器输出稳定的直流电压。
二、有源功率因数校正的主电路拓扑结构
从拓扑结构上来说，Buck、Boost两种变换器最为基本，而其它的变换器结构都是由这两种基本结构演变而来的。
Buck变换器又名降压变换器、串联开关稳压器或三端开关型降压稳压器，基于Buck电路的PFC变换器基本电图拓扑结构如图2-1（a）所示。当开关按脉冲信号工作时，Buck变换器能将输入电压转换成更低的输出电压，实现降压的功能。基于Buck电路的PFC变换器可工作在CCM和DCM状态，但无论其工作在CCM或DCM状态，输入电流在每个开关周期内都是断续的，同时开关管在输入电源电压过零点附近关断，输入电流为零，难以得到高的功率因数。
Boost变换器又名升压变换器，并联开关电路或三端开关型升压稳压器。其基本电路拓扑结构如图2-1（b）所示，也是由开关S，二极管VD，变换电感L和蓄能电容C组成。在实际实现中，开关S可以由一只功率开关管Q实现，开关管Q交替地开启和关断，就可以实现升压变换的功能。
当开关管Q导通时，如图2-2（a）所示电流IL流过电感线圈L，电流线性增加，电能以磁能形式储在电感线圈L中；此时，电容C放电，R上流过电流IO，R两端为输出电压VO，极性上正下负；二极管阳极接Vi负极，二极管承受反向电压，所以电容不能通过开关管放电。当开关管S断开时，构成的电路如图2-2（b）所示，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持IL不变。这样线圈L磁能转化成的电压VL与电源电压VI串联，以高出VO电压向电容C、负载R供电。高于VO是，电容有充电电流；等于VO时，充电电流为零；当VO有降低趋势是，电容向负载R供电，维持VO不变。
三、BOOST型APFC电路的设计
（一）主电路Boost变换器的设计
（二）仿真参数设置
本文拟设计一个单相有源功率因数校正电路，其技术指标如下：
（l）额定输出功率PO：250W
（2）交流输入电压范围UIN：80-270V
（3）输出直流电压UO：400V
（4）开关频率：100 kHz
（5）功率因数：95%以上
四、仿真试验
SABER作为混合仿真系统，可以兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，便于在不同层面上分析和解决问题，其他仿真软件不具备这样的功能。
（一）输入交流电压为80V加PFC后的波形
（a）.输入电压电流波形
（b）.输出电压波形
（二）输入交流电压为270V加PFC后的波形
（a）.输入电压电流波形
（b）.输出电压波形
可以看出，系统加APFC电路时，网侧输入电流由窄脉冲波形变成严格的正弦电流波形，且与输入电压同相位。因此，APFC使用时，Boost变换器可看作一个纯电阻。Boost型APFC实验装置可以达到预期效果，实现输入电流的整形，输出电压稳定，保证输入功率因数PF=1。按论文方法设计Boost型APFC变换器的调节参数可获得满意的效果，说明这种设计方法的合理性。
五、结论
本文对单相有源功率因数校正电路进行了深入的研究。并进行了相关的仿真试验。分析比较了在输入电压取不同值时的各种波形，得出了期望的结果。
参考文献：
[1] 张卫平.绿色电源-现代电能变换技术及应用.北京：科学出版社，2001：10-50
[2] O.D.Patterson and D.M.Divan. Pseudo-resonant full bridge dc/dc converter.in Proc.IEEE PESC’87 Conference，1987：424-430.
[3] 杨旭，裴元庆.开关电源技术.北京：机械工业出版社，2004，5：206-262
[4] 柴贵兰等.有源功率因数校正技术的研究[硕士学位论文].西安：西安科技大学，2006
[5] 严百平等.不连续到点模式高功率因素开关电源.北京：科学出版社，2000：1-9
[6] 周志敏等.开关电源功率因数校正电路的设计与应用.北京：人民邮电出版社，2004：1-17