基于SIMULINK的仿真分析.docx

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1、目录摘要1Abstract2第1章绪论311研究背景、目的和意义31.1.1 研究背景31.1.2 研究目的31.1.3 研究意义312研究的目标和内容4121研究的目标41.2.2研究的内容413论文的组织结构4第2章PFC技术及Boost变换器基础61. 1PFC技术简介62. 2Boost变换器技术概况63. 3PFC与Boost变换器的关系84. 6本章小结8第3章Boost变换器的PFC的设计93.1基于Boost变换器的PFC的主电路设计93. 2基于Boost变换器PFC的控制策略设计175. 3本章小结22第4章基于Simulink的仿真分析246. IMatIab与Simul

2、ink仿真介绍247. 2SimUIink仿真模型的建立248. 3仿真参数的设置269. 4仿真结果和分析2910. 4本章小结32结论33参考文献34致谢35摘要目前，主要有六种主要的基本斩波器电路，其中一种是BoOSt升压电路，它是一种开关式直流升压电路，它能够确保输出电压高于输入电压。升压电路的主要应用是单相功率因数校正（PFC）电路、直流电动机的驱动器或其他交流/直流电源系统。在国家节能减排委员会的发起下，通过采用对功率因素校正变换器的设计与管理，能够减少谐波污染，从而减少了能量消耗，并产生良好的社会经济效益和环保价值。但因为传统供电装置的复杂性，易于产生谐波，危害电网的能源品质，因

3、此传统变换器也并没有很好处理该问题,而这些问题可以通过设计带有升压转换器的PFC来解决。首先，本文分别描述了升压电路和功率因数校正技术，描述了升压转换器和功率因数校正技术之间的关系，并研究了该电路在不同工作模式下的运行。其次，设计了一种基于BoOSt的变换器的PFC电路。在一般电网中，可能会接进许多整流负载，并且会造成输入电流会带来很多谐波的问题等，而谐波分量过大会导致电源输入功率过低，谐波电流会加剧电网中配电设备的损耗，降低设备的寿命，也会降低功率因数，影响其他连接在负载端用电设备的正常使用，并且会对电磁形成干扰，过低的功率因数会浪费设备容量、加重配电设备传输的损耗等困扰。可以说PFC是改善

4、负载功率因数的一种方法。最后，用MatIab中的SimUlink搭建仿真模型，实现BoOSt变换器的PFC仿真试验，通过分别调试，获得不同工作状态下的实验波形以及相关数据后，对试验结果进行分析说明，从而验证理论分析的正确性和有效性。关键词；Boost；功率因数校正；谐波；MatlabAbstractBoostcircuitisoneofthesixbasicchoppercircuits.ItisaswitchedDCBoostcircuit,whichcanmaketheoutputvoltagehigherthantheinputvoltage.ItismainlyusedinDCmoto

5、rdrive,single-phasepowerfactorcorrection(PFC)circuitandotherACandDCpowersupplies.Undertheinitiativeofenergyconservationandemissionreduction,thedesignandcontrolofpowerfactorcorrectionconvertercanreduceharmonicpollutionandenergyloss,whichhasgoodeconomicandenvironmentalvalue.Duetothediversityofelectric

6、alequipment,itiseasytoproduceharmonicsandaffectthepowerqualityofthepowergrid.Thetraditionalconvertercannotsolvethisproblemwell.ThiskindofproblemcanbewellsolvedbyusingBoostconvertertodesignPFC.Firstly,thispaperintroducestheresearchbackground,basicprincipleandbasicstructureofthepowerfactorcorrectionci

7、rcuitofBoostconverter,expoundstheBoostcircuitandpowerfactorcorrectiontechnologyrespectively,calculatestherelevantparametersofthemaincircuit,andstudiestheworkingmodeofthecircuitandtheparametersofinductanceandcapacitanceundervariousworkingmodes.Secondly,aPFCcircuitofBoostbasedconverterisdesigned.Inthe

8、generalpowergrid,manyrectifierloadsmaybeconnected,andthebigproblemisthattheinputcurrentwillbringalotofharmonics,andtheexcessiveharmoniccomponentwillleadtothelowinputpowerofthepowersupply.Theharmoniccurrentwillaggravatethelossofdistributionequipmentinthepowergrid,interferewiththenormaloperationofothe

9、relectricalequipmentconnectedtotheloadend,andalsocauseelectromagneticinterference.ThelowpowerfactorwillalsocausethewasteofequipmentcapacityThetransmissionlossofdistributionequipmentincreases.Therefore,PFCisameanstoimprovethepowerfactoroftheload.Finally,thesimulationmodelisbuiltwithSimulinkinMATLABto

10、realizethePFCsimulationtestofBoostconverter.Throughstep-by-stepdebugging,theexperimentalwaveformandrelevantdataofworkingstateareobtained,andthetestresultsareanalyzed.Thecorrectnessandeffectivenessofthetheoreticalanalysisareverified.Keywords:Boost;powerfactorcorrection;harmonic;matlab第1章绪论1.1 研究背景、目的

11、和意义1.1.1 研究背景如今世界，随着经济的飞速增长，化石能源的利用在推动了世界经济的蓬勃发展的同时对环境造成了不可逆的污染，大量的二氧化碳的排除，加快了对环境的破坏，形成了比如气候变暖、海平面上升和恶劣气候等现象，对人类的生活带来了严重破坏。因此，节能减排已经成为世界各国关注的议题，各国开始提倡合理节约能源，大力发展新能源科技，这当中要数太阳能发电与风力发电受到了各国的大力推广。电是最广泛使用的能源之一，由于它的使用，人类已经能够进入今天先进的工业和计算机社会。随着时间的推移，电力的发展在其生产、传输和应用方面已经达到了很高的水平，但为了更有效地使用它，仍有许多问题需要克服。电力电子技术从

12、诞生到发展，一直影响着人们的用电方式。在当今的电力电子领域，谐波和无功功率是一个非常难以解决的问题。由于开关电源的环境要求，有源功率因数校正技术己成为现代电力电子学的一项重要技术，以减少谐波电流污染，提高电能质量。1.1.2 研究目的在节能减排的发起下，通过对功率因数校正变换器的设计和控制，可以使谐波污染减小，并降低能源损耗，具有良好的经济与环境价值。由于用电设备的多样性，因而容易产生谐波，影响电网的电能质量，传统变换器并不能很好解决该问题。通过使用BOOSt变换器的PFC设计，可以很好地解决此类问题。电子设备的普及使模拟控制的PFC技术越来越成熟，尽管在某些领域仍然存在限制。然而，在某些领域

13、仍然存在局限性。与模拟控制的PFC相比，数字控制的PFC具有控制灵活、便于携带和易于调试等优点。这就是为什么有必要将数字控制引入PFC技术的原因。将数字控制引入PFC技术，从而利用数字控制实现PFC算法，已经成为当今功率因数校正领域的一个重要研究领域。1.1.3 研究意义通过研究Boost电路的PFC设计可大大减小电网中的整流负载带来的输入电流中的谐波，减小谐波电流，增加电源的输入的有功功率，用以降低电网中配电设备的损耗，不会干扰挂接在负载端其他用电设备的正常工作，并且降低电磁干扰、避免过低的功率因数对设备容量的浪费、减少配电设备传输损耗等影响。BOOSt升压电路通常是PFC转换器的基本拓扑结

14、构，这是因为升压电路设计和控制电路结构简单，而且产生的输出纹波明显减少。通过将多个BOOSt和PFC电路交错串联，不仅可以提高功率水平，减少大功率器件的电流消耗，还可以减少输入和输出产生的输出电压纹波，减少滤波电容的尺寸。所以,在大功率使用情况下使用这种电路结构的优越性很大。在当今国家提倡的节能减排的决议下，通过对功率因数校正变换器的设计和控制,可以减小谐波污染，降低能源损耗，从而达到能源利用最大化，具有良好的经济与环境价值。1.2 研究的目标和内容1.2.1 研究的目标1、理解功率因数校正的原理。2、掌握BOOSt变换器的工作原理。3、掌握PWM控制技术的工作原理。4、设计基于BOOSt变换

15、器的PFC闭环控制算法，并对算法进行分析。5、使用Matlab实现Boost变换器的PFC仿真试验，并对试验结果进行分析。1.2.2 研究的内容本文首先分别介绍了升压转换器和PFC技术的基本理论、工作原理和相关结构框图，并详细介绍了升压转换器的两种模式：CCM和DCM,以了解升压转换器和PFC技术的技术原理，并为今后的研究奠定基础。通过对BoOSt变换器PFC设计进行建模，解读了建模原理，列举了研究中会用到的相关公式。最后，在Matlab上的Simulink进行了仿真。介绍了Matlab与其一项可视化工具Simulink,接着Matlab上搭建Boost变换器的PFC的模型，进行仿真，得到波形

16、图，并进行分析得到结论。1.3 论文的组织结构(1)第一章为绪论，其中囊括了本篇文章的研究背景、研究目的及研窕意义，标出了研究目标和内容，并且介绍了论文每一章的内容。（2）第二章为PFC技术及BoOSt变换器基础，在这章中分别介绍了PFC技术简介、BOoSt变换器的工作原理和PFC与BOoSt变换器的关系，为后续的研究奠定了理论基础。（3）第三章是对后续实验的设计，先是对于主电路进行了设计，其次是对控制策略进行了设计，为第四章的仿真实验做好了前期的准备。（4）第四章为模拟仿真及分析，在matlab上进行建模仿真，通过改变不同的数据从而得出不一样的波形，从而验证了实验与理论的可行性。第2章PFC

17、技术及Boost变换器基础2.1PFC技术简介功率因数(PowerFactorCorrection,PFC)的校正是按以下方式确定的：功率因数(PF)是由有功功率P除以视在功率S得到的。如果电压和电流代表一个正弦波，线性元件如电阻、电容和电感被用作负载，那么有功功率是由于电压和电流的相位差P=UIcos,相移功率因数cos=PS0在非线性负载电路中，功率因数定义为PF=rcos0在整流和滤波之后，输入交流电源上的非线性负载导致输入电流波形失真，表现为脉动波形，由于谐波成分过多，电路功率因素变得过低。因此会导致一系列的问题,例如谐波对其他的电子设备进行干扰，谐波电流对电网造成干扰。当输入功率保持

18、一定的情况下，输入电流比较大时，就必须增加输入断路器和电源线的量。当三相四线制供电时，如果有相对较高的电流流经中央线路，由于没有过流保护，就会有因过热而起火的危险。因此，没有功率因数校正电路的开关模式电源的使用正逐步受到限制,这代表了一种安全风险。因此，有必要减少谐波成分。这有助于减少功率损失，减少外部辐射和电源耗散，并减少导体的尺寸。这也使得减少导体的横截面积和减少电源的尺寸和重量成为可能。这就是为什么功率因数接近1的开关电源经常被用于具有功率因数校正的电路中。功率因数校正的重要性在于纠正以下因素：功率因数校正的重要性在于纠正扭曲的电流，使其成为正弦波，电流与电压同相，从而使功率因数接近于U

19、此外，功率因数校正不仅仅保证了负载电压与电流同相位，还将较陡的电网电流脉冲进行去除。较陡的电流不但能导致射频干扰，更为甚者能使所需要的负载输出功率值大于有效值。根据不同的实现原理，PFC能够分为主动式PFC和被动式PFCo2.2Boost变换器技术概况如图2.2是一种典型的开关升压电路，它使用与当电源输入电压较低，不足以驱动下级负载时，用于提升电压以适配下级电压。Vin图2.2传统Boost变换器图2.2升压电路（电路本身需要升压，所以要求（VoVhl），这里MOS管（N沟道的升压型）被假定为理想的MOS管，并且D4是一个理想的二极管（正向线路压降为0,反向雪崩电压为无穷大，其他电气参数假定为

20、理想），由于电感器是一个理想的电感器，没有能量储存在电感器中。因此，当电感器恢复到初始状态时，电感器中没有储存任何能量。例如，如果电感器从0的电流变化到某一电流i,然后又下降到。的电流，那么电感器在充电或放电的电流中没有储存能量。那么就可以认为，在电流充电或放电时，电感器不会消耗任何能量。如果电感器在时间ton后处于充电状态，那么电流将为：TIVjnt_T1min丁LLOn1max此时，若MOS管关断，且由于钳位效应，电感输出端将直接与输出电容等电位（其中二极管为理想二极管），根据电磁感应定律，此时输出电容上的电压变为：IdiL（ImaX【min）VirItOnV0=L=dtt0fftoff此

21、处toff为关断时间。因此，当SW的脉冲占空比大于50%时，电路便可达到升压的目的。Boost升压转换器也被称为并联开关转换器。升压转换器与降压转换器有很多不同点，比如电感的位置，它在升压电路的输入端，而在降压电路的输出端。而且升压转换器的输入电压Vin总是比输出电压VO低。当开关管开启时，二极管D关闭，电感器L和开关管之间的节点电压为0。当开关管关闭时，电感L上的电位被逆转，因此电感L和开关管之间的节点电压高于输入电压VOo电感电流被二极管D4续流，使Vin小于Vo。升压开关可分为两种模式，即连续导通模式(CCM)和非连续导通模式(DCM)o这种划分是基于升压转换器是基于CCM和DCM的事实

22、。工作在CCM和DCM模式下的升压转换器与其临界电感之间的主要关系是流过电感的最小电流是否为零。升压转换器的输入和输出电压、固定的负载电阻和开关频率，当转换器处于MCC模式时，有一个临界电感Lc.然而，当内部参数发生变化、输入电压发生变化和外部负载发生变化时，L通过受控信号和参考信号的差分控制回路进行闭环。该反馈用于调节主电路开关管的开/关时间，从而使开关转换器的输出电压和电流相对更稳定。2.3PFC与Boost变换器的关系当大量的整流电路被使用，电网端会被引起畸变的非正弦电流，导致大量的谐波的产生。然而大量的谐波电流会严重危害电网，导致设备的输入端功率因数会下降很多，大大降低了电能使用的效率

23、。同时对于AC-DC场台，DC输出端往往需要十分稳定的直流母线电压，更为甚者，需要该电压可以调节。从功率因数校正技术的特性来看，PFC有三项功能：首先，PFC能够对输入电流谐波进行改善；其次，PFC能够保持输出电压的稳定；最后，PFC可以改善输入端功率因数值。2.6本章小结本章分别介绍了变换器与功率因数校正技术的概念。在对变换器的讲解下，对本次研究对象BOOSt变换器进行了详细的介绍，包括BOoSt变换器的拓扑结构以及工作原理，对接下来的实验起到了奠定基础的作用。接下来介绍了BOoSt变换器的两种模式，分别为CCM和DCM,对于这两种模式展开说明，在之前对BOOSt变换器的工作原理的介绍之下，

24、对CCM和DCM的介绍，能够更加清晰的明白Boost变换器的工作原理，即Boost变换器工作与CCM和DCM及其临界电感，在后面的研究中也会说明本次研究是在哪种模式下进行的。最后介绍了功率因数校正技术，即为PFC详细的介绍了PFC技术的实现图本以及工作原理。次研究对象为BoOSt变换器的PFC设计，所以本章对于BOOSt变换器与PFC技术都进行了详细的介绍，为下来的研究奠定了基础。第3章Boost变换器的PFC的设计3.1 基于Boost变换器的PFC的主电路设计3.1.1BoostPFC电路的工作状态分类1.1.1.1 CCM模式控制方式通过一系列分析可知，在PFC的工作之中，根据电感的电流

25、有三种不同的工作模式，并且与这三种工作模式相对照的控制方式也有所区别。其中的DCM和CRM模式在控制电路时不一定需要乘法器，仅仅使用电压跟随器就能够达到控制的目的，因此该方式也可称为电压跟随法。但是，这种方法存在一定的弊端，例如，如果输入电流没能够被检测到，则会使电流纹波大，功率器件电流压力变大，从而缩短了使用寿命。这一弊端导致这种方法只适合用于小功率场景。然而，电压跟踪法不需要对输入电压和电流进行采样，而只需要对输出电压进行采样，并根据输出情况实时改变占空比。这是一个相对简单的控制电路，可以实现。通常，在大功率应用中，当需要进行功率因数校正时，PFC由MCC实时控制，使输入电压变化和输入电流

26、变化。输入和输出电压被采样并形成一个电压测量电路，在乘法之后，可以作为内部电路的基础。测量电压的外部电路经过乘法器和输入电流调节后可获得控制信号使用。因此，MCC控制模式也可以称为双电路电压和电流控制、峰值电流控制和滞后电流控制。(1)平均电流控制正弦波电流的平均值被认为是实时控制电感电流的参考，并被用作实现功率因数校正的目标，即控制平均电流。电流信号参考是由输入电压信号乘以输出电压信号而得到的。PWM控制信号由采样的电感电流信号和参考值之间的差值获得，然后进行调制，以满足输入电流和输出电压的整形功能。该电流的频率在运行过程中保持不变,而电路的响应速度变得更快，此外，电压电路的带宽必须小于20

27、赫兹。PFC电路是目前使用最广泛的控制方法之一，因为当控制电感电流时，控制信号是电流的平均值,所以电磁干扰和THD相对较低，占空比随着电压振幅的增加而逐渐减少，适合在大功率应用中使用。这种控制方法的带宽增益比较高，噪声灵敏度比较低，误差小。Va图3. 1. 1平均电流控制框图(2)峰值电流控制功率因数的校正是通过让电感电流的峰值线跟随输入电压的正弦波实现的，这被称为峰值电流控制。然而，峰值电流控制也被称为平均电流控制。这种控制方式与平均电流控制的区别在于，峰值电流控制倾向于使用开关管中的电流作为控制信号。峰值电流控制比平均电流控制更容易出错，所以峰值电流控制的总谐波失真更高，必须设计额外的斜率

28、来补偿单元。(3)滞环电流控制当电流控制和调制一起使用且不使用其他参考信号时，带磁滞环的电流控制是三种电流控制中最简单的类型。滞后电流控制范围包括形成滞后电流的上下限的范围，这个范围由滞后控制产生。在电路运行过程中，如果电感电流达到滞后上限，开关管被关闭，电感向终端负载提供所需的功率。感应电流线性下降。当感应电流下降到滞后下限时，功率管被打开，感应器被电源充电，同时感应电流线性增加,输出电容再次向负载提供电流。1.1.1.2 DCM模式控制方式产生用于功率因数校正的PWM控制信号需要在DCM模式下控制电路，而无需测量输入电压和电流。这种控制方法也被称为电压跟踪，简单而方便。图3.1.2是控制框

29、图和波形图，根据控制过程中开关频率的变化，可以分为恒定频率和可变频率两种模式。DCM模式只适用于低功率应用，因为它没有电流控制，导致电感电流的高纹波，对前置放大器的输入滤波器要求更高。DCM模式只适用于低功率应用，因为它没有电流环控制，导致电感电流纹波高，对输入滤波器的要求更高。恒定频率控制只是意味着开关频率保持不变，即开关周期保持稳定，输出电压通过电压跟随器与输入电压相匹配。通过调整电压跟随器以实现输出和输入电压的相对稳定，控制电路输出的PWM占空比也保持恒定，以便输入电压和电流的有效值保持比例。控制电路输出的PWM占空比保持恒定，使输入电压和电流的均方根值保持比例，输入电流的波形自动跟随电

30、压的正弦波，以实现功率因素校正功能。图3.1.2DCM模式控制框图保持导通时间不变，通过控制关断时间来调整占空比的控制方法是频率控制。此时PWM频率发生变化，影响升压电路中电感电流平均值的因素只有一个，那就是接通时间。1.1.1.3 CRM模式控制方式图3.3显示了CRM模式的波形。从图中可以看出，CCM模式和DCM模式的临界点是电感电流的波形，即当开关管被打开时，电感电流降至零。当电流上升到参考值时，电感电流降至零，当电流上升到参考值时，开关管被关闭。当正弦波输入电压通过零点时，应达到最高频率，当正弦波电压达到最大值时，应达到最低频率，即CRM模式下的开关频率应能实时变化。CRM模式主要用于

31、小于300W的开关电源，因为在CRM模式下校正功率因数的技术允许高开关峰值。然而，也有一个缺点，即当电压高于零时，开关频率会非常高。然而，也有一个缺点，即当电压点高于零时，开关频率会非常高，这同时会导致非常严重的声音干扰。off图3.1.3CRM模式波形图3.1.2 变换器的数学模型对开关型逆变器进行建模的最常用方法之一是状态空间平均法。这种方法对逆变器在一段时期内的行为进行平均，并使用连续的、非线性的、时间不变的模型来描述具有不连续开关特性的开关型逆变器系统。为了简化建模和分析过程，设计了一个单相PFC升压转换器的数学模型，并在状态空间进行了平均。作出了以下假设：(1)假设变换器一直处于CC

32、M的状态下运行，即在全功率范围内电感电流一直保持连续；(2)开关器件只有在“导通”或者“关断”的状态下才能够工作，开关动作只有一瞬间，并且能够瞬间完成，变换器中的所有开关器件全部认为是理想器件。根据图3.4(a),当开关器件S被激活时，电流连续性二极管D被反方向中断，并停止工作。输入电源VaC通过二极管整流桥充入升压电感器L,电容器C向电阻性负载R放电，以保持输出电压VO不变。而在这时，依据基尔霍夫第一、二定律可得,BoostPFC变换器的动态方程可表示为：diLIzD于=7XwiX&)atLdvo1寸=KX(TO)atC在这组动态方程式中，电感电流iL和输出电压Vo是可变的，输入电感和输出电

33、容分别为L和C,上式还包括寄生电感电阻RL、负载电流i和整流输入电压Vin,而Vin的表达式为：%=UcI=%XISin(COt)I式中，Vin为交流输入电压的幅值，=2f,f为电网频率。如图3.4(b)所示，当关断开关器件S时，续流二极管D处于正向导通工作的状态，输出电容C和电阻负载R由于输入电源VaC和升压电感L的共同作用下处于充电的状态，保持输出电压VO稳定。这时还是依据电路基尔霍夫第一、二定律，BoostPFC变换器的动态方程又为：dii1.、Sa)(a)图3.1.4单相BoostPFC变换器的工作原理(a)开关器件S导通(b)开关器件S关断为得到一个开关周期T内变换器的平均动态方程，

34、还需要对上述动态方程进行求和平均化，从而得到下式：=；UTX.-.XdatLLdv01,.ii,-=78To）：XdatCC上式中，d为数值属于0,1范围内的开关占空比信号。3.1.3 控制电路实现方式控制电路有两种主要类型：数字控制和模拟控制。数字控制的控制方法是数字电源，模拟控制的控制方法是模拟电源。数字芯片是数字控制电路的主要组成部分，用于处理数字信号。数字控制电路有以下三个主要特点：高集成度、技术复杂性（使用过程中需要软件编程）和结构复杂性，而数字电源是使用数字晶片控制开关的电源，定义为：数字信号处理器或微控制器作为主要的电源控制元件，以及数字和PWM电源控制。数字电源的定义是：以数字

35、信号处理器或微控制器为主要元素，以PWM控制器和数字电源控制器为控制对象,同时实现通信、传感和其他形式的电源管理的开关电源。因此，数字控制的特点与模拟控制的特点不同，在使用数字电源时必须考虑精度和PWM传感的动态限制。模拟芯片是模拟控制回路的主要构件，处理自然模拟信号，如直流、声音、速度、温度、光、电流等。模拟芯片通常包含线性稳压器、运算放大器、参考电压源等。与数字控制相比，模拟控制不需要信号离散化，直接处理模拟信号，从而获得更好的一致性。3.1.4 设计建模开关电源的静态指标主要是效率、功率因数、纹波和EMC,由主电路设计和控制方案决定；动态指标是电源匹配率、负载匹配率、输出电压精度、动态功

36、率和并联模块的不规则流等。开关电源的动态指标是效率、功率因数、纹波和EMC,由主电路设计和控制方案决定；开关电源的动态指标是电源匹配率、负载匹配率、输出电压精度、动态功率和并联模块的不规则流动等。图315闭环控制变换器的结构框图在电网中，我们可能会接入很多整流性负载，而整流性负载带来的很大问题就是电源的输入电流会带有很多谐波。其输入电流波形如图3.6,图3.1.6输入电流波形模型中用以衡量畸变程度的指标是THD（总谐波失真），该指数与谐波分量呈正相关，即THD越高，谐波分量越大。谐波分量过大，则会导致电源输入的功率因数过低。过低的功率因素会浪费设备容量，增加配电设备的传输损耗。谐波电流会增加电

37、网中配电设备的损耗，阻碍其余用电设备正常工作，于此同时产生电磁干扰。在这样的情况下，就需要使用PFC来改善负载功率因素。PFC的实现思路有很多，本次的研究方法是通过对电路中的开关管控制电感电流实时控制，使电感电流对不可控整流后的电压指令进行跟踪，进而让输入电流呈正弦波形，这是通过纠正输入电流波形的失真度和相位来实现的，以提高功率因数，同时输入电流与输入电压同相。闭环电压控制的重要性在于稳定输出电压，电压控制器产生输出电压控制指令；然而，为了使电感电流跟随整流桥的输出波形，在模型中加入电流锁存器来控制电感电流；整流桥的输出电压说实话是要作为电压控制指令的，可以得到控制指令，作为电流控制器的参考数

38、据值使用。开关管的占空比就是所谓的电流控制器输出的控制指令。通过命令开关管的开启和关闭，实时控制电感电流的实时参考控制，同时输出电压也得到稳定。图3.1.7PFC控制策略图电源的技术指标为：输入电压（Ui）：交流120V；输入电压频率（E）：60Hz；输出电压（U）：直流400V；输出功率（PO）：1000W；开关频率（f5）：50kHz；电感电流纹波（kJ：8%；输出保持电压（UOmin）：300V；输出保持时间（thoid）：16.6ms；电容电压纹波（2Ut）：10V；BoOSt变换器效率（）：92%。3.1.5 相关公式（1）计算电感所在支路，即BOOSt电路的输入端，通过的最大峰值电

39、流2P0PL大函（2）电感电流纹波Il=kiLIpk（3）当Boost电路输入电流达到最大峰值电流IPk时占空比U0-2UiD=Uo（4）电感取值2UiDL=7-fs，IL（5）电容取值_2P（）thoid=UK在范例中采用这一公式(2Poth0JdPoC=max5；luo-Umin2fiU0-UoJ(6)PlD传递函数PID=Kp+Kds（7）输出电压TU0=各E（8）闭环传递函数_G1(三)G2(三)0(三)=1+Gk(三)3. 2基于Boost变换器PFC的控制策略设计3.1.1 Boost变换器的PFC总体闭环设计及PWM调制技术如图3.8所示，通常情况下，PFC升压稳压器的输出采用外

40、部电压电路和内部电流电路进行恒压控制，外部电压电路提供缓慢变化，内部电流电路提供快速变化，两者在控制债券方面有数量级的差异。电压电路的重要性在于确保输出侧直流链路电压的稳定性，而电流电路则是为了确保输入电感电流具有正弦波的包络。将输出电压V发生变化时，与参考电压”共同进入电压环路计算，电压环控制逻辑如下：当检测到匕d大于输出电压时，电压环输出量经过电压外环计算后增加;反观，当检测到小于输出电压时，经过电压环输出量电压外环计算后减小，起到对输出电压稳定控制的作用。如果确定输出电压低于电压，在计算电压电路后，增加电压电路的输出，即增加参考电流，在计算电流电路后，增加电流电路的输出指令，增加占空比，

41、从而增加感应电流，增加输出电压。电压外环的输出与电感电流转换共同送入电流内环进行计算，当检测到输出电压小于时，经过电压外环计算后电压环输出量增加，即参考电流/时增加，经过电流内环的计算，电流环输出控制量增加，占空比增加使得电感电流增加，输出电压增加，反之当检测到输出电压大于匕蛾时，经过电压外环计算后电压环输出量降低，即参考电流/可降低，经过电流内环的计算，电流环输出控制量降低，占空比降低使得PFC的工作原理如图3.8所示：输出电压VbUS和参考电压%,相比较后经电压环计算后得到电压环的输出量Vr,送入乘法器中乘以Boost输入电压匕C得到馒头波形状的电流参考值/时。参考电流/时与开关电流is进

42、行比较后经过电流环后得到开关管的占空比信号d,开关管的通断需要经驱动电路后控制，使输入电流（就是电感电流iL）的与整流后的电压匕C的波形基本同步。输入电压波形%c、输入电流i和匕经过校正的电感电流）如图3.9o从图上可以看出，输入电流经过PWM频率的调制，原本波形呈脉冲状，经调制后呈现接近正弦（含有高频纹波）的波形。图中所示电路中在一个开关周期内，当开关管导通时，%=0，1=4；当开关管关断时，4=0%=34为流经过开关管的电流波形，为了得到光滑的近似正弦波，需要将具有高频纹波的输入电流，取每个开关周期的平均值即可得到。3.1.2 Pl电流控制环路设计由如图3.8所示，高带宽的内部电流电路和低

43、带宽的外部电压电路构成了单相升压PFC转换器的级联PI控制系统。参考电感电流的振幅通过外部电压电路进行实时控制，以保持转换器的输入和输出功率之间的平衡，从而稳定输出电压的声音。电感参考电流的振幅与从输入电压中提取的均匀正弦半波Sin（t）相乘，得到电感参考电流，并馈入内部电路。通过改变电路中的占空比d,实时监测电感电流Li并遵循其参考值，逆变器在交流侧实现了统一的功率因数，同时减少了电流谐波。当逆变器工作在统一功率因数时，输出电压含有二次谐波成分，污染了脏电流的参考值，导致电流的波形失真。虽然降低电压电路的带宽可以有效地抑制二次谐波的影响，但它也降低了电压的动态功率，导致输出电压出现明显的过冲

44、和骤降。为了解决这个问题,本节在电压电路中加入了纹波处理，以确保变频器的交流质量，并改善系统的动态性能。图3.2.3单相BoostPFC变换器堵塞级联Pl控制系统在级联控制结构里，相较于电压控制环路的带宽，电流控制环路的带宽明显较高。所以双环之间的相互影响可以忽略不计，将两个控制器的参数进行独立设计。在电流内环里，将平均电感电流忆作为系统的输出变量，输入变量采用占空比do如果对一个开关周期4卬内输出电压V0的脉动进行忽略，同时以以/作为%的近似参考值。根据式2.4中的电感电流方程，电感电流乙与内输出电压之间的传递函数Gj(三)可近似推导为：G(三)=号式中，S是复频域变量。系统的频率响应受到数

45、字控制中各种延迟的影响，所以在设计控制回路时必须考虑到延迟效应。使用带有PWM调制器的内部电流环路会使控制环路中的信号延迟变小。在对称调制的情况下，PWM调制器可以被认为是一个零阶保护器，两者具有相同的优点。考虑到数字控制器的单环控制延迟，传递函数可以修正如下：GM=gx产SLS式中，Ti为电流控制环路的采样周期。随后，进行Z变换，就得到了离散域的电感电流模型为:G=(Z)=3.1.3 Pl电压控制环路设计考虑到续流二极管电流与电感电流Li之间存在的如下式所示的关系，电压动态方程可以进一步表示为：(1-X=d-r=-(lD-lo)atC如如图3.9所示，根据前面的公式，可以画出一个带有级联Pl

46、控制的单相PFC升压转换器的控制框图。在这种情况下，由于使用了由乘法器引入电路的整流正弦半波(3t),整个电路具有非线性时变特性。为了进一步简化Pl电压控制回路的设计和分析，可以先做以下假设。(1)由于Pl电流控制器的优良控制性能，实际输入电流能够紧跟电流设定值；(2)为了消除非线性，电压控制回路中的所有信号都被平均化了；(3)整个系统的内部损失被忽略了。图3.2.4级联Pl系统的控制框图基于以上假设，在设计电压外环控制器的时候，把电流内环近似为一个单位增益单元。另外，根据功率守恒原理，能够推导出平均二极管电流的表达式为：p,nX”璟ID-Kef4ozID2。式中，&、分别为平均输入功率和平均

47、输出功率。输出电压方程可简化为：也=匕XaIXidt2CvflC在电压外环中，将输出电压V0看作是系统的输出变量，系统的输入变量即为参考电感电流幅值/7,根据上述公式中的电压方程，可以推导出输出电压与参考电感电流幅值/两者间的传递函数为：G=LX此外，由于电压采样存在延迟环节，进一步修正上式表示的传递函数为:1V-e式中，Z，为电压控制环路的采样周期。经过Z变换后，得到离散域的输出电压模型为:GJz)=3.3本章小结本章讲述了Boost变换器的PFC设计的建模的相关的问题。.功率因数校正(PFC)用于消除来自电源的高次谐波。这种技术改善了功率因数，使输入电压与电流同相。在大功率应用中，绝大多数的电力电子系统都需要使用PFC技术。随着技术越来越成熟，现在PFC发展所衍生的拓扑结构特别丰富，相应的控制策略也越来越全面和复杂，可分为两大类型：数字控制和模拟控制。，本章讲述了常用的控制策略：CCM、DCMRCMo其次对BoostPFC电路进行了设计建模，对闭环控制变换器结构以及PFC控制结构进行了分析与介绍，介绍了PFC的实现思路，对于研究中所需用到的数据进行了列举，并且列举了各项研究中将会用到的公式。第4章基于SimUlink的仿真分析4.1 MatIab与