开关电源中的有源功率因数校正技术

前言

第1章 绪论1

1.1 开关电源输入整流电路形式与谐波电流1

1.1.1 单相交流输入开关电源1

1.1.2 三相交流输入开关电源2

1.2 功率因数和谐波2

1.2.1 功率因数定义2

1.2.2 功率因数和THD的关系3

1.2.3 谐波产生的危害4

1.2.4 谐波限制标准4

1.3 改善开关电源功率因数及谐波问题的基本方法6

1.3.1 功率因数校正实现方法6

1.3.2 功率因数校正方案对比8

1.3.3 在开关电源中实施功率因数校正的意义9

1.4 APFC电路与DC/DC变换器的主要区别10

1.5 PFC技术的现状和发展趋势10

参考文献12

第2章 PPFC电路13

2.1 传统无源LC滤波电路13

2.2 提高功率因数的几种整流电路15

.2.2.1 采用充电泵电路15

2.2.2 采用非线性电容电路16

2.2.3 倍电压整流电路18

2.3 部分滤波方式的高次谐波抑制方法20

2.3.1 1/N滤波型20

2.3.2 能量反馈型23

2.3.3 充电量控制型24

2.3.4 部分升压方式高次谐波抑制电路26

参考文献27

第3章 APFC典型拓扑结构29

3.1 基于Buck电路的PFC变换器29

3.1.1 工作原理及模态分析29

3.1.2 输入电流分析31

3.1.3 输入功率因数及THD31

3.2 基于Boost电路的PFC变换器33

3.2.1 工作原理及模态分析33

3.2.2 输入电流分析34

3.2.3 输入功率因数35

3.3 基于Buck-Boost电路的PFC变换器36

3.3.1 工作原理及模态分析36

3.3.2 输入电流分析37

3.4 基于Cuk、Sepic和Zeta电路的PFC变换器38

3.4.1 工作原理及模态分析39

3.4.2 输入电流分析41

3.5 基于Flyback的PFC变换器42

3.6 基于Sepic的带隔离变压器的PFC变换器43

3.6.1 工作原理及模态分析43

3.6.2 输入电流分析44

参考文献45

第4章 APFC的控制策略46

4.1 常用的CCM控制策略46

4.1.1 峰值电流控制46

4.1.2 平均电流控制47

4.1.3 滞环电流控制48

4.1.4 脉动电流面积控制49

4.2 DCM控制策略49

4.2.1 恒频控制50

4.2.2 变频控制50

4.3 新型非线性控制策略51

4.3.1 单周期控制51

4.3.2 滑模变结构控制62

4.3.3 空间矢量PWM控制63

4.3.4 无差拍控制64

参考文献65

第5章 单相单级PFC变换器66

5.1 单相单级PFC变换器的发展历程66

5.2 典型单相单级PFC变换器拓扑结构67

5.2.1 PFC（DCM）+DC/DC（DCM、CCM）组合方式67

5.2.2 PFC（CCM)+DC/DC（DCM、CCM）组合方式68

5.2.3 并联型单级PFC(PPFC)变换器69

5.2.4 单级全桥PFC变换器70

5.2.5 有源钳位和软开关技术的应用71

5.3 带抽头电感的单级PFC变换器71

5.3.1 电路构成72

5.3.2 工作原理和模态分析72

5.3.3 仿真和实验结果74

5.4 有源钳位PFC变换器77

5.4.1 电路结构和工作原理77

5.4.2 软开关条件及电路特性分析81

5.4.3 控制电路设计83

5.4.4 仿真和实验结果85

5.5 单级全桥PFC变换器87

5.5.1 电路结构与功率因数校正原理87

5.5.2 工作模态分析88

5.5.3 实验结果分析91

5.6 并联型高效率PFC变换器93

5.6.1 并联型变换器提高效率的原理93

5.6.2 传统并联型PFC变换器94

5.6.3 改进的并联型PFC变换器95

5.7 变换器数学模型的建立和仿真分析98

5.7.1 扩展状态平均法98

5.7.2 等效电路模型及状态方程的导出99

5.7.3 数学模型的建立101

5.7.4 仿真分析103

参考文献105

第6章 无桥PFC电路106

6.1 基本型无桥BoostPFC106

6.1.1 基本型无桥BoostPFC电路的工作原理107

6.1.2 基本型无桥BoostPFC的采样电路108

6.2 无桥BoostPFC的EMI分析和抑制方法112

6.2.1 相对电位分析法113

6.2.2 模型分析法113

6.2.3 EMI抑制措施115

6.3 无桥BoostPFC的其他拓扑结构116

6.3.1 图腾式无桥BoostPFC电路116

6.3.2 伪图腾式无桥BoostPFC电路118

6.3.3 双向开关型无桥BoostPFC电路119

6.3.4 双二极管式无桥BoostPFC电路120

6.4 无桥BoostPFC的电路模型123

6.4.1 电路的大信号模型123

6.4.2 电路的小信号模型124

6.5 无桥BoostPFC的控制策略127

6.5.1 模拟控制128

6.5.2 数字控制131

6.5.3 部分有源PFC控制132

6.6 无桥BoostPFC的软开关技术133

6.7 无桥单级电子镇流器135

6.7.1 开关管复用结构的无桥单级电子镇流器135

6.7.2 电荷泵结构的无桥单级电子镇流器137

参考文献139

第7章 交错技术在PFC中的应用142

7.1 交错并联PFC电路142

7.1.1 交错技术简介142

7.1.2 交错并联PFC电路结构142

7.2 交错并联BoostPFC电路的特性分析145

7.2.1 输入电流纹波分析145

7.2.2 输出电容电流纹波分析147

7.2.3 交错并联结构对PFC电感的影响148

7.3 交错并联PFC的控制策略和实现方式148

7.3.1 控制策略148

7.3.2 实现方式150

7.4 交错并联PFC电路设计实例155

7.4.1 参数设计156

7.4.2 实验结果160

参考文献161

第8章 三相两级APFC电路163

8.1 三相单开关APFC电路163

8.1.1 三相单开关BoostAPFC电路163

8.1.2 其他三相单开关APFC电路171

8.2 三相多开关APFC电路175

8.2.1 三相双开关APFC电路175

8.2.2 三相三开关APFC电路179

8.2.3 三相四开关APFC电路181

8.2.4 三相六开关APFC电路182

8.3 由单相APFC组成的三相APFC电路185

8.3.1 由三个单相APFC在输出端并联组成的三相APFC电路186

8.3.2 由带隔离DC/DC变换器的单相APFC组成的三相APFC电路186

8.3.3 将三相电压变成两相后再并联组成的三相APFC电路187

8.4 数字化三相APFC188

8.4.1 三相单开关数字APFC188

8.4.2 三相六开关数字APFC189

8.4.3 三电平三相数字APFC189

参考文献190

第9章 三相单级APFC电路192

9.1 基于反激式拓扑的三相单级APFC电路192

9.1.1 三相单开关反激式APFC电路192

9.1.2 变压器和二极管桥分离的三相单开关反激式APFC电路194

9.1.3 三相双开关反激式APFC电路195

9.1.4 开关缓冲及软开关电路197

9.2 三电平三相单级APFC电路202

9.2.1 电路结构及工作原理202

9.2.2 软开关实现范围206

9.2.3 电流断续条件207

9.3 基于全桥拓扑的三相单级APFC电路208

9.3.1 基于移相控制的三相单级全桥APFC电路208

9.3.2 基于伪相移控制的三相单级全桥APFC电路211

9.3.3 基于有源钳位技术的三相单级全桥APFC电路213

9.4 其他三相单级APFC电路217

9.4.1 基于双向开关的能量双向流动三相单级APFC电路217

9.4.2 双开关三相单级APFC电路217

9.4.3 同步四开关三相单级APFC电路218

9.4.4 由单相APFC组成的三相单级APFC电路220

参考文献222

第10章 PFC的数字控制技术224

10.1 PFC数字控制技术概述224

10.2 PFC数字控制策略225

10.2.1 平均电流控制策略225

10.2.2 带前馈的平均电流控制策略226

10.2.3 占空比预测控制策略227

10.3 PFC数字控制的实现方式230

10.3.1 基于DSP的PFC数字控制方式230

10.3.2 基于FPGA的PFC数字控制方式232

10.3.3 基于多核芯片的PFC数字控制方式233

10.4 快速动态响应PFC数字控制算法237

10.4.1 电压环带宽设计原则238

10.4.2 电压环带宽对输入输出谐波的影响239

10.4.3 快速动态响应PFC数字控制算法239

参考文献241

第11章 APFC技术在开关电源中的应用243

11.1 单级APFC技术在直流阀驱动电源中的应用243

11.1.1 主电路结构243

11.1.2 功率因数校正原理243

11.1.3 软开关的设计与实现245

11.1.4 控制电路设计246

11.1.5 实验分析248

11.2 PFC技术在“绿色照明”电源中的应用249

11.2.1 PFC技术在电子镇流器中的应用249

11.2.2 APFC技术在LED驱动电源中的应用252

11.3 APFC技术在不间断电源（UPS）中的应用254

11.3.1 拓扑结构254

11.3.2 工作原理255

11.3.3 主要参数设计257

11.3.4 控制方式与实现258

11.4 单周期控制策略与无桥PFC电路在开关电源中的应用259

11.4.1 电路构成与控制策略259

11.4.2 单周期控制的抗扰动能力分析260

11.4.3 PFC电路相关参数设计261

11.4.4 实验分析263

11.5 三相APFC技术在大功率焊接电源中的应用264

11.5.1 电源结构264

11.5.2 APFC级构成及工作原理265

11.5.3 软开关设计及实现265

参考文献266

《开关电源中的有源功率因数校正技术》结合国内外有源功率因数校正（APFC）技术的发展和应用，对功率因数校正（PFC）技术进行了较为全面的论述。主要内容包括：无源功率因数校正（PPFC）技术、有源功率因数校正技术的典型拓扑结构和控制策略、单相单级PFC变换器、三相PFC变换器、无桥PFC电路、交错技术在PFC中的应用、PFC的数字控制技术以及PFC技术在开关电源中的应用等。
　　编者力图反映国内外电力电子技术领域在APFC技术方面的进展和所取得的研究成果，以便读者系统、全面地了解和掌握。《开关电源中的有源功率因数校正技术》可供从事开关电源开发、设计及生产的相关工程技术人员和高等院校相关专业的师生阅读。