ａ叶技２０１５年第２８卷第６期 Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉ．＆Ｔｅｃｈ．／Ｊｕｎ．１５．２０１５ ｄｏｉ：１０．１６１８０／ｊ．ｃｎｋｉ．ｉｓｓｎｌ００７—７８２０．２０１５．０６．０３６ 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，上海摘要２０００９３） 开关电源是实现电能转换和功率传递的重要设备。然而传统的开关电源功率因数低，谐波含量高，接入 电网后。给电网带来了一系列严重的问题。文中设计了一款反激式ＰＦＣ变换器的仿真模型，该模型是结合传统ＤＣ／ ＤＣ变换中的反激式电路与基于Ｂｏｏｓｔ的ＰＦＣ电路提出的，采用平均电流型控制作为本控制策略，最后运用Ｍａｔｌａｂ仿 真软件对模型进行了仿真，仿真结果表明该方案控制策略的正确性。 关键词反激式电路；功率因数；Ｍａｔｌａｂ仿真；开关电源 中图分类号ＴＮ８６ 文献标识码Ａ 文章编号１００７—７８２０（２０１５）０６—１３３—０４ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ａｎｄ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ Ｆｌｙ－ｂａｃｋ ＰＦＣ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ ＸＩＡ Ｍｉｎｇｈａｏ．ＹＡＮＧ Ｗｅｎｈｕａｎ．ＸＩＡ Ｔｉａｎｙｕ．ＳＨＩ Ｊｕｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ－Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｈａｎｇｈａｉ ｆｏｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０００９３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｉｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｄｅｖｉｃｅ ｆｏｒ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ． Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｌｏｗ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｃｏｎｔｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｂｒｉｎｇｓ ａ ｓｅｒｉｅｓ ｏｆ ｓｅｒｉｏｕｓ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｔｏ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｓ ａ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｆｌｙ—ｂａｃｋ ＰＦＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｔｈｅ ｆｌｙ－ｂａｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｎ ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ ＤＣ／ＤＣ ｔｒａｎｓｆｏｒｍ ａｎｄ ｔｈｅ ＰＦＣ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂａｓｅｄ Ｏ１＇１ Ｂｏｏｓｔ ｗｉｔｈ ａｖｅｒａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ．Ｔｈｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｓｉｍｕｌａｔｅｄ ｂｙ Ｍａｔｌａｂ ｓｏｆｔｗａｒｅ．Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｃｈｅｍｅ ｉｓ ａ ｖａｌｉｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｔｒａｔｅｇｙ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ ｆｌｙ—ｂａｃｋ ｃｉｒｃｕｉｔ；ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ；Ｍａｔｌａｂ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ；ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ 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 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 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，女口ＩＥＣ５５５—２、ＩＥＥＥ５１９、ＩＥＣ１０００—３—２等 Ｊ。因 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 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 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。 入了大量的人力和物力来研究这一课题Ｌ２ Ｊ。 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 Ｊ。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 收稿日期：２０１４．１１—２０ 作者简介：夏明豪（１９８８一），男，硕士研究生。研究方向： 电气工程。Ｅ—ｍａｉｌ：１２３９９６０７９３＠ｑｑ．ｃｏｍ。杨文焕（１９５４一）， 男，教授，硕士生导师。研究方向：电力电子与电力传动，电 能质量检测。 图１ ＰＦＣ电路结构框图 ＷＷＷ．ｄｉ￣ｎｚｉｋｅｊｉ．０ｒｇ １３３ 夏明豪，等：反激式ＰＦＣ开关电源的研究与设计 在整流电路和滤波电容之间接人一级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 。 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 经 即 在图３中，由运放的基本特性可得 Ｒ ｏ Ｒ ／／１ Ｔ （１） ‘／ ｜ｓ）＝ ＵｏＲ １ ＝－十（２） 过分压器１／Ｈ后得到信号Ｕｏ／Ｈ，Ｕｏ／Ｈ与参考电压 比 较后，经过电压误差放大器放大，得到的输出信号作为乘 将Ｒ。，Ｒｉ和Ｃ。的值带人，即可得电压闭环的ＰＩＤ参 数。同理，在图４中 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 。再经过分压网络１／Ｋ后所得到的信号 ／Ｋ， 乘法器输出的信号为电流基准信号，与电感上的电流经 过检测电阻尺 的信号 尺 经过电流误差放大器被平均 可得 Ｒ １ ］／／１ Ｌ（３） 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、，１’的驱动信号ｌ５ Ｊ。 ｓ）＝Ｇｏ （ｓ） １ 茜 ＰＩＤ参数 。 （４） 将Ｒ ，Ｒ ，Ｒ，，Ｃ。和 的值带人，即可得电流闭环的 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。 ｙ 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。 月． 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 图３ 电压误差放大器 １３４ 压，多路输出的电压分别为２４ Ｖ，１２ Ｖ和５ Ｖ，电路中 ＷＷＷ．ｄｉａｎｚｉｋ￣ｊｉ．０ｒｇ 夏明豪，等：反激式ＰＦＣ开关电源的研究与设计 ５ ４ ３ ２ ｌ ｌ ２ ３ ４ ５ 的电感为２．５ ｍＨ，输出直流母线电容均为４７０ ＩｘＦ，锯 ０ ０ Ｏ ０ Ｏ ０ Ｏ Ｏ Ｏ ０ Ｏ ０ ０ ０ ０ Ｏ ０ Ｏ Ｏ Ｏ Ｏ 一一 一 一 一 由图１０和图１１分析可得出，电路未加入ＰＦＣ电 一一皇矗 吕日 ｊ ０ 目蓦齿波频率为５０ ｋＨｚ。输出结果如图６所示。 路时，输人电路的功率因数较低；电路加入ＰＦＣ电路 后，输人电路的功率因数接近１，功率因数明显提高。 舳加∞如加如加ｍ ０ Ｏ．２ Ｏ．４ ０．６ ０．８ １．０ 图６ 未加入ＰＦＣ电路时的输入电压和电流波形 ４００ ３Ｏ０ ２００ ｌ００ Ｏ 一图ｌＯ 未加入ＰＦＣ电路时的功率因数曲线 １ＯＯ ２ＯＯ ３ＯＯ 圜 一静 １ Ｏ ９ 一－４００ ０ Ｏ ８ 姆 ０ ７ ０ ０ ５ ０．０４ Ｏ Ｏ．Ｏ８ ０．１２ ６ Ｏ．１６ 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，输人电流的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。 ３０ ２５ ２０ —、—、— ——／２４ｖ输出电压 ——～————————～——、—～—～ 宙１５ ‘ ————， —————— ／１２懒出电压 ———一—————— —————————————————— —————一 １０ ／５、愉出电压 ５ Ｏ ０ ０．２ ０．４ ０．６ ０．８ １．０ ．Ｉ Ｉ．Ｉ Ｉ。。．．．．．．． ４０ 图１２ 多路输出开关电源的输出电压特性曲线 ０ ２∞频率 ／Ｈｚ ０阳ｏ 。。 。。 ３结束语 ；日刀０崤 本文仿真源至于实际的系统设计，而通过模型仿 图８ 未加入ＰＦＣ电路时的输入电流ＦＦｒ分析结果 一２．５ ２．０ 真叉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 ｛１．５ 暑１．０ ０．５ ＝０ ０ ．【 ……． ．．…… ４００ ８００ １ ２００ １ ６００ ２０００ 略的正确性。 参考文献 ［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． （下转第１４０页） 频￣５１［ｇ／Ｈｚ 图９加入ＰＦＣ电路后的输入电流Ｆ丌分析结果 ＷＷＷ．ｄｌａｎｚｉｋｅｊＩ．ｏｒｅ１ １３ｓ 王凯：机载ＭＩＭＯ雷达空时杂波块对消器 ［２］ Ｃｈｅｎ Ｃｈｕｎｙａｎｇ，Ｖａｉｄｙａｎａｔｈａｎ Ｐ Ｐ．ＭＩＭＯ ｒａｄａｒ ｓｐａｃｅ ｔｉｍｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｕｓｉｎｇ ｐｒｏｌａｔｅ ｓｐｈｅｒｏｉｄａｌ ｗａｖｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ，２００８，５６（２）： ∞ ６２３—６３５． 缸 蜘 １３ １ Ｗａｎｇ Ｇ。Ｌｕ Ｙ．Ｃｌｕｔｔｅｒ ｒａｎｋ ｏｆ ＳＴＡＰ ｉｎ ＭＩＭＯ ｒａｄａｒ ｗｉｔｈ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｄｉｖｅｒｃｉｔｙ『Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｓｉｎａｇｌ Ｐｒｏ— ｃｅｓｓｉｎｇ，２０１０，５８（２）：９３８—９４３． ［４］ Ｗｕ Ｙ，Ｔａｎｇ Ｊ，Ｐｅｎｇ Ｙ Ｎ．Ｍｏｄｅｌｓ ａｎｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉｐｌｅ——ｉｎｐｕｔ ｍｕｌｔｉｐｌｅ——ｏｕｔｐｕｔ ｓｐａｃｅ——ｔｉｍｅ ａｄａｐｔｉｖｅ 归一化多普勒频率 （ａ）０ ＝Ｏ。 ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｒａｄａｒ［Ｊ］．ＩＥＲ Ｒａｄａｒ，Ｓｏｎａｒ＆Ｎａｖｉｇａｔｉｏｎ，２００９， ３（６）：５６９—５８２． ［５］ 曲毅，廖桂生，朱圣棋，等．ＭＩＭＯ雷达的目标运动方向及 速度估计［Ｊ］．西安电子科技大学学报：自然科学版， ２００８，３５（５）：７８１—７８４． ［６］ 吕晖，冯大政，和洁，等．机载多输入多输出雷达局域化降 ∞ 维杂波抑制方法［Ｊ］．西安电子科技大学学报：自然科学 版，２０１１，３８（２）：８８—９２． 盟 蜘 ［７］杨涛，苏涛，张旺．二维宽带ＭＩＭＯ雷达发射方向图综合 螯 方法［Ｊ］．西安电子科技大学学报：自然科学版，２０１３，４０ （３）：１８０—１８７． ［８］ 保铮，廖桂生，吴仁彪，等．相控阵机载雷达杂波抑制的时 空维自适应滤波［Ｊ］．电子学报，１９９３，２１（９）：１—７． 归一化多瞽勒频率 （ｂ）０ ＝３０。 ［９］ Ｗａｎｇ Ｈ，Ｃａｉ Ｌ．Ｏｎ ａｄａｐｔｉｖｅ ｓｐａｔｉａｌ—ｔｅｍｐｏｒａｌ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｆｏｒ ａｉｒｂｏｒｎｅ ｓｕｒｖｅｉｌｌａｎｃｅ ｒａｄａｒ ｓｙｓｔｅｍｓ『Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ 图４改善因子比较 ｏｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ，１９９４，３０（３）：６６０—６６９． ［１０］Ｋｌｅｍｍ Ｒ．Ｓｐａｃｅ—ｔｉｍｅ ａｄａｐｔｉｖｅ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ－－ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ［Ｍ］．Ｌｏｎｄｏｎ：Ｔｈｅ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉ— ｎｅｅｒｓ，１９９８． 参考文献 ［１］ Ｂｌｉｓｓ Ｄ Ｗ，Ｆｏｒｓｙｔｈｅ Ｋ Ｗ．Ｍｕｈｉｐｌｅ—ｉｎｐｕｔ ｍｕｌｔｉｐｌｅ—ｏｕｔｐｕｔ （ＭＩＭＯ）ｒａｄａｒ ａｎｄ ｉｍａｇｉｎｇ：ｄｅｇｒｅｅｓ ｏｆ ｆｒｅｅｄｏｍ ａｎｄ ｒｅｓｏｌｕ－ ［１１］Ｂｒｏｗｎ Ｒ Ｄ，Ｓｃｈｎｅｉｂｌｅ Ｒ Ａ，Ｗｉｃｋｓ Ｍ Ｃ，ｅｔ ａ１．ＳＴＡＰ ｆｏｒ ｃｌｕｔ— ｔｅｒ ｓｕｐｐｒｅｓｓｉｏｎ ｗｉｔｈ ｓｕｍ ａｎｄ ｄｉｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅａｍｓ『Ｊ １．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ，２０００，３６ ｔｉｏｎ［Ｃ］．Ｍｏｎｔｅｒｅｙ，ＵＳＡ：Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ３７ｔｈ ＩＥＥＥ ａ Ｓｉ－ ｌｏｍａｒ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｓｉｇｎａｌｓ，Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔｅｒｓ，２００３： ５４—５９． （２）：６３４—６４６． ［１２］Ｓｋｏｌｎｉｃ Ｍ Ｉ．Ｒａｄａｒ ｈａｎｄｂｏｏｋ［Ｍ］．Ｓｅｃｏｎｄ Ｅｄｉｔｉｏｎ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：ＭｃＧｒａｗ—Ｈｉｌ１．１９９０． （上接第１３５页） ［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． 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）：１５一ｌ７． ［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 ｃｏｎ－ ｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｏｎｉｒｃｓ，２００９，９（３）： ｌ４０ ｗｗｗ．ｄｉａｎｚｉｋｅｊｉ．ｏｒｑ