摘 要

随着电力电子技术的发展,电力电子装置的应用越来越多。电力电子装置中的功率器件工作在开关状态，会对电网系统带来谐波污染。减小电力电子装置谐波污染，尤其是AC/DC整流器对电网造成的谐波污染，改善电网质量，提高整流穷系统的输入侧功率因数，日益受到国内外学者的关注。研究一种结构简单、动态性能良好、易于稳定工作的功率因数校正的控制方法，成为电力电子领域的热点问题。

本文论述了目前功率因数校正技术的研究概况，列举了几种目前常用的有源功率因数校正技术，讨论了单周期控制的基本原理和结构组成。然后将单周期控制技术应用到单相桥式整流器上，设计了具体的电路硬件并且采用软件进行仿真，验证理论设计的结果。

本文运用单周期控制方式实现全桥整流功率因数校正控制，在对主电路、控制电路参数进行详细设计的基础上，利用 Matlab/Simulink 软件搭建了系统的整体仿真平台，结果验证了系统的正确性和可行性。

关键词：全桥整流； 功率因数校正； 单周期控制； 仿真模型

Abstract

With the development of power electronics and the increasing applications of electrical equipment, the power harmonic pollution is becoming worse. Eliminating harmonic pollution caused by power electronic devices, especially caused by AC/DC rectifier, improving the quality of power network and improving system power factor have been focused on to research in our country and abroad. So studying a power factor correction method, which is simple, good dynamic performance and easy-to-stability has become a hot issue of power electronics.

This thesis summarizes the current research on power factor correction technology, lists several common active power factor correction techniques, and discusses the basic principles and components of the one-cycle control scheme. Then, the one-cycle control scheme is applied to control the single-phase full-bridge rectifier, and a simulation model is set up to verify the results of theoretical design.

In this thesis, the control scheme using one-cycle control method to achieve power factor correction. With the designing of parameters in detail, overall simulation platform is established by using Matlab/Simulink software. The simulated and experimental results show the correctness of the system design.

Key Words: Single-phase; Full bridge rectifier; Power factor correction (PFC); One cycle control (OCC); Simulation model

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题背景 1

1.1.1 电流谐波及其危害 1

1.1.2 功率因数及其校正 2

1.2 本文内容及结构组织 3

第2章 功率因数控制原理 4

2.1 功率因数 4

2.1.1 功率因数的定义 4

2.1.2 功率因数与总波形畸变 4

2.2 功率因数校正技术（PFC） 5

2.2.1 无源功率因数校正技术（PPFC） 5

2.2.2 有源功率因数校正技术（APFC） 6

2.3 有源功率因数校正技术的结构 7

2.3.1 有源功率因数校正技术的级联结构 7

2.3.2 有源功率因数校正技术的主电路拓扑 8

2.4 功率因数校正电路方案 9

第3章 单周期控制技术 10

3.1 有源功率因数校正的传统控制方法 10

3.1.1 DCM控制模式 10

3.1.2 CCM控制模式 11

3.2 单周期控制技术 12

3.2.1 单周期控制理论基础 13

3.2.2单周期控制的单相桥式整流电路 14

第4章 单相全桥整流器的电路设计 16

4.1 主电路模块参数设计 16

4.1.1 开关频率的选取 16

4.1.2 输入电感的参数计算 16

4.1.3 输出电容计算 17

4.1.4 功率器件选择 17

4.1.5 EMI滤波器设计 18

4.2 控制模块设计 18

4.2.1 积分器设计 18

4.3 信号采样模块设计 19

4.3.1 输出电压采样 19

4.3.2 输入电流采样电路 20

4.5 驱动模块硬件电路设计 20

4.6 辅助模块设计 21

4.6.1 运算放大器辅助电源模块设计 21

4.6.2 时钟电路 21

第5章 单相全桥整流器PFC电路仿真 23

5.1 PFC电路的仿真结果 23

5.2 仿真结果分析 26

第6章 结论 27

参考文献 28

致谢 29

附录 30

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.1.1 电流谐波及其危害

随着经济的飞速发展，对于用电的质量要求越来越高。理想的公用电网所提供的电压的频率以及电压幅值固定。但是，实际电网中的电压与电流并不总是理想的。如果电 网中的电压或电流波形不是理想的正弦波，说明其中含有频率高于50Hz的电压或电流 成分。一般情况下，我们将频率高于50Hz的电流或电压称为谐波。谐波是导致电力损耗增加、供电质量下降的重要因素^[1-2]。部分电力电子装置的大量应用给电力系统注入大量的谐波，导致电网中的谐波污染日益严重。这对用电设备极为不利，会给供电电网带来危害^[3]。伴随着信息时代对电能质量的高要求，电网谐波污染的治理问题受到了越来越多的关注，功率因数校正技术也日益成为研究热点。

造成电流或电压畸变的原因，大部分来自用电设备对电网的干扰，使得电网中产生谐波电流及谐波电压。典型的电力电子装置其内部的输入整流滤波环节，大多是由二极管构成的不可控整流和大电容滤波电容组成，从而获得较为平滑的直流电压。常用整流典型电路如图1.1（a）。根据桥式整流电路中的二极管单向导电的特性，只有当输入端的交流电压瞬时值超过了滤波电容器的电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通，才有整流电压形成。而输入交流电压的瞬时值低于滤波电容上的电压时二极管反向截止。因此只有在交流电压的峰值附近，整流二极管才会导通。实际上交流输入电流波形是脉冲尖波，见图1.1（b）。