Cuk型单相有源功率因数校正技术的研究
摘要
本文在总结有关有源功率因数校正研究成果的基础上，针对目前研究的热点及其发展方向，对单相有源功率因数校正技术作了较为深入的探讨，并提出了将升压型平均电流控制的功率因数校正思想用于Cuk型电路拓扑。全文围绕设计Cuk型平均电流控制的功率因数校正电路展开，主要完成了以下工作：
论文在分析有源功率因数校正器基本工作原理的基础上，通过比较几种不同拓扑的PFC变换器主电路和控制电路的优缺点，明确了本文所要研究的对象—平均电流型控制的Cuk型PFC变换器。
论文介绍了Cuk型DC/DC变换器由来、演变；分析了各个环节、期间的电压、电流的变化情况及波形；推导了理想Cuk变换器的状态方程；建立了Cuk主电路以及相关交流电源、脉冲宽度调制器的Simulink仿真模型。
论文运用电感电流连续时的状态空间平均法，通过PWM型变换器通用传递函数的求取，代入Cuk变换器的状态方程，借助MATLAB的符号计算功能，推导出了Cuk变换电路的输入电流与输出电压受占空比控制的小信号传递函数，而后依此进行了控制电路部分的电流调节器与电压调节器的设计。
论文分析了带隔离变压器的Cuk变换电路，介绍了平均电流型功率因数校正芯片UC3854的结构、功能；根据UC3854的具体特点与要求，以设计一个具体、实用的带PFC功能的开关电源为例，设计、计算了主电路电感L1、L2、C1、C2、隔离变压器以及电压、电流调节器电路的参数及要求。
论文最后分析了本文所做工作的缺陷和不足，指出了今后需要继续做的工作和其它有关行业需要配合做的工作。
Based on the summary of the fruits of the research of the Active Power Factor Correction, the PFC system, which adopts Cuk power converter circuit and Average Current Mode control scheme, is well studied in this thesis. The main job accomplished of this paper includes:
According to the principle and the discussion of the single-phase active power correction, the PFC system, which adopts Cuk power converter circuit and Average Current Mode control scheme is indicated as the developing direction of PFC and regarded as the PFC system structure.
The origin and evolvement of Cuk converter are introduced and the voltage and current waveforms of every period are analyzed and presented. The State Differential Equations of ideal Cuk converter are deduced and the Simulation models of ideal Cuk converter, ac power supply and pulse width modulator (PWM) are erected.
The general transfer functions of PWM converter are developed and the small-signal transfer functions controlled by the duty cycle are given using MATLAB. The voltage adjuster and the current regulator of the control circuit are designed.
The isolated Cuk converter is analyzed and the features and the description of the UC3854 are presented in detail. Based on the UC3854, a complete design procedure, experimental device and waveforms are given.
In the end, the limitations and shortages are indicated and the work of sequel and other interrelated fields is pointed out.
论文在分析有源功率因数校正器基本工作原理的基础上，通过比较几种不同拓扑的PFC变换器主电路和控制电路的优缺点，明确了本文所要研究的对象—平均电流型控制的Cuk型PFC变换器。
论文介绍了Cuk型DC/DC变换器由来、演变；分析了各个环节、期间的电压、电流的变化情况及波形；推导了理想Cuk变换器的状态方程；建立了Cuk主电路以及相关交流电源、脉冲宽度调制器的Simulink仿真模型。
论文运用电感电流连续时的状态空间平均法，通过PWM型变换器通用传递函数的求取，代入Cuk变换器的状态方程，借助MATLAB的符号计算功能，推导出了Cuk变换电路的输入电流与输出电压受占空比控制的小信号传递函数，而后依此进行了控制电路部分的电流调节器与电压调节器的设计。
论文分析了带隔离变压器的Cuk变换电路，介绍了平均电流型功率因数校正芯片UC3854的结构、功能；根据UC3854的具体特点与要求，以设计一个具体、实用的带PFC功能的开关电源为例，设计、计算了主电路电感L1、L2、C1、C2、隔离变压器以及电压、电流调节器电路的参数及要求。
论文最后分析了本文所做工作的缺陷和不足，指出了今后需要继续做的工作和其它有关行业需要配合做的工作。
Based on the summary of the fruits of the research of the Active Power Factor Correction, the PFC system, which adopts Cuk power converter circuit and Average Current Mode control scheme, is well studied in this thesis. The main job accomplished of this paper includes:
According to the principle and the discussion of the single-phase active power correction, the PFC system, which adopts Cuk power converter circuit and Average Current Mode control scheme is indicated as the developing direction of PFC and regarded as the PFC system structure.
The origin and evolvement of Cuk converter are introduced and the voltage and current waveforms of every period are analyzed and presented. The State Differential Equations of ideal Cuk converter are deduced and the Simulation models of ideal Cuk converter, ac power supply and pulse width modulator (PWM) are erected.
The general transfer functions of PWM converter are developed and the small-signal transfer functions controlled by the duty cycle are given using MATLAB. The voltage adjuster and the current regulator of the control circuit are designed.
The isolated Cuk converter is analyzed and the features and the description of the UC3854 are presented in detail. Based on the UC3854, a complete design procedure, experimental device and waveforms are given.
In the end, the limitations and shortages are indicated and the work of sequel and other interrelated fields is pointed out.
引文
[1]张占松，蔡宣三．开关电源的原理和设计．第一版．北京：电子工业出版社，1998：36-42页，92-100页，303-311页，273-287页
[2]甘朝林，吕建林．基于Simulink的Cuk PWM DC-DC变换器的仿真模型．武汉冶金科技大学学报(自然科学版)．1999(6)：189-181页
[3]孙汉忠．Cuk变换器获得输出回路电流低纹波的方法．淮海工学院学报．2000(9)：18-20页
[4]罗全明，周雏维．应用DCVM模式工作的Cuk变换器于功率因数校正．电源技术应用．2001(4)：615-618页
[5]赵志伟．Cuk变换器获得输出回路电流低纹波的方法．南京气象学院学报．2000(6)：256-261页
[6]颜文俊，陈素琴，林峰等．控制理论CAI教程．第一版．北京，科学出版社，2002：223-226页
[7]李爱文，张承慧．现代逆变技术及其应用．第一版．北京：科学出版社，2000：197-206页
[8]刘胜利，严仰光．现代高频开关电源实用技术．第一版．北京，电子工业出版社，2001：293-443页，536-559页
[9]徐哲谆．单相有源功率因数校正技术研究．浙江大学博士学位论文．1996：1-25页
[10]高燕梅，房蔓楠．Spice／Pspice编程技术．第一版．北京，电子工业出版社，2002：192-258页
[11]R. B. Ridley and F.C.Lee. Small Signal Modeling of Average Current Mode Control. APEC. 1992: 747P
[12]T. Ohnuki. et al. High Power Factor PWM Rectifiers with an Analog Pulse Width Prediction Controller. IEEE Transations on Power Electronics, Vol. 11, No. 3, May 1996: 460-465P
[13]J. P. Noon. Analysis and Design of 250kHz, 500W Power Factor Correction Circuit Employing Zero Voltage Transition. Unitrode Apllication Note U-153
[14]Ching-Jung Tseng. A Novel ZVT PWM Cuk Power-Factor Corrector. IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 46, 2001 (4) : 780-787P
[15]Ranganathan, G. Umanand, L. Power factor improvement using DCM Cuk converter with coupled inductor. IEE Proceedings Electric Power Applications. Vol. 146, 1999(2): 231-236P
[16]Tseng, C. -J. ; Chen, C. -L. Comparisons of zero-voltage-transition Cuk converters, IEE Proceedings: Electric Power Applications. Vol. 146, 1999 (4): 433-440P
[17]张占松，孙时生，伍言真．电路和系统的仿真实践．第一版．北京，科学出版社，2000：19-64页，109-125页
[18]范爱平．电子电路实验与虚拟技术．第一版．济南，山东科学技术出版社，2001：31-80页
[19]钱恭斌，张基宏．Electronics Workbench实用通信与电子线路的计算机仿真．第一版．北京，电子工业出版社，2001：39-50页
[20]沙占友，新型单片开关电源的设计与应用．第一版．北京，电子工业出版社，2001：26-27页，308-311页
[21]Jai P. Agrawal. Power Electronic Systems Theory and Design. the First Edition. Peking, Tsinghua University Press and Prentice-Hall. 2001: 439-447P
[22]Richard C. Doff and Robert H.Bishop. Modern Control Systems. Ninth Edition. Peking, Science Press and Pearson Education North Asia. 2002: 631-665P
[23]赵志伟．用Cuk电路实现功率因数校正．南京气象学院学报．2000(2)：256-261P
[24]李龙文．UC3855A／B高性能功率因数预调整器．开关电源控制IC应用集锦．1999(10)：344-365页
[25]王正仕，徐德鸿．一种用于APFC的改进型ZVT-BOOST电路．全国电源技术年会论文集．1999(10)：78-81页
[26]王鸿麟，贾明军．零电压开关功率因数控制器ML4822．电信技术．1996(10)：45-46页
[27]李爱文，蔡鸣华．现代功率因数校正技术(PFC)及其应用．山东电力技术．1996(4)
[28]陆鸣等．电源专用集成功率因数校正器件UC1854．第11届全国电源学会论文集．1995：460-468
[29]张纯江，冯军智．单周期控制单相功率因数校正器的分析和设计．电力电子技术．2002(5)：35-37页
[30]赵振波，许伯强．高功率因数PWM整流器综述．华北电力大学学报．2002(4)：36-40页
[31]高潮，罗世国．单级功率因数校正AC／DC变流器降低开关电压应力方法．重庆大学学报自然科学版．2002(9)：20-24页
[32]刘国频．谈电压功率因数与农村电网降损的关系．农村电气化2002(10)：21-21页
[33]高潮，罗世国．降低有源功率因数校正变流器电压应力的方法．中山大学学报自然科学版．2002(5)：34-37页
[34]马存云．PFC与PWM控制器HA16141及其应用电路．国外电子元器件．2002(10)：48-51页
[35]朱方明，余建刚．有源功率因数校正技术原理及应用．现代电子技术．2002(10)：40-42页
[36]谢勇，袁开见．新型充电泵高功率因数电子镇流器．电工技术杂志．2002(8)：20-22页
[37]杨建法，李月国．SMPS初级／次级PFC／PWM控制器世界产品与技术．2002(9)：78-80页
[38]李明亮，王俊才．一种功率因数控制器的研究．山西电子技术．2002(3)：27-28页
[39]周立凯，周静．带非正弦波电流的新颖数字式功率因数校正技术．电源技术应用．2002(9)：476-480页
[40]沙占友，葛家怡．NCP1650型功率因数校正器的工作原理．电源技术应用．2002(9)：457-461页
[41]詹桦，韩雁．功率因数校正器芯片电路UC3854的分析．微电子学．2002(2)：136-138页
[42]余大武，张希斌．数字式单极PFC开关电源控制器iW2202．国外电子元器件．2002(7)：30-33页
[43]高强，颞枝玉．基于ML4841的具有APFC功能的AC／DC变换器设计．自动化技术与应用．2002(3)：26-28页
[44]路秋生．一种新型单级恒功率高功率因数电子镇流器．核工业自动化．2002(1)：22-34页
[45]吴叶兰，廉小亲．基于DSP控制的功率因数校正系统的设计．电测与仪表．2002(7)：27-29页
[46]易军，王红蕾．高功率因数PWM变流器仿真研究．贵州工业大学学报
自然科学版．2002(3)：15-19页
[47]韩磊，叶星宁．一种新型的具有简易APFC的SPIC电路．半导体学报．2002(8)：813-816页
[48]郑春芳，何志伟．单相PFC变换器中电流型控制的发展．电源技术应用．2002(6)：12-15页
[49]李圣清，周有庆．单相单位功率因数开关变流器谐波电流的分析与补偿．湖南师范大学自然科学学报．2002(2)：36-40页
[50]徐云中，熊蕊．一种输入电流间接控制的有源功率因数校正电路分析．电源技术应用．2002(3)：22-23页
[2]甘朝林，吕建林．基于Simulink的Cuk PWM DC-DC变换器的仿真模型．武汉冶金科技大学学报(自然科学版)．1999(6)：189-181页
[3]孙汉忠．Cuk变换器获得输出回路电流低纹波的方法．淮海工学院学报．2000(9)：18-20页
[4]罗全明，周雏维．应用DCVM模式工作的Cuk变换器于功率因数校正．电源技术应用．2001(4)：615-618页
[5]赵志伟．Cuk变换器获得输出回路电流低纹波的方法．南京气象学院学报．2000(6)：256-261页
[6]颜文俊，陈素琴，林峰等．控制理论CAI教程．第一版．北京，科学出版社，2002：223-226页
[7]李爱文，张承慧．现代逆变技术及其应用．第一版．北京：科学出版社，2000：197-206页
[8]刘胜利，严仰光．现代高频开关电源实用技术．第一版．北京，电子工业出版社，2001：293-443页，536-559页
[9]徐哲谆．单相有源功率因数校正技术研究．浙江大学博士学位论文．1996：1-25页
[10]高燕梅，房蔓楠．Spice／Pspice编程技术．第一版．北京，电子工业出版社，2002：192-258页
[11]R. B. Ridley and F.C.Lee. Small Signal Modeling of Average Current Mode Control. APEC. 1992: 747P
[12]T. Ohnuki. et al. High Power Factor PWM Rectifiers with an Analog Pulse Width Prediction Controller. IEEE Transations on Power Electronics, Vol. 11, No. 3, May 1996: 460-465P
[13]J. P. Noon. Analysis and Design of 250kHz, 500W Power Factor Correction Circuit Employing Zero Voltage Transition. Unitrode Apllication Note U-153
[14]Ching-Jung Tseng. A Novel ZVT PWM Cuk Power-Factor Corrector. IEEE Transactions on Industrial Electronics. Vol. 46, 2001 (4) : 780-787P
[15]Ranganathan, G. Umanand, L. Power factor improvement using DCM Cuk converter with coupled inductor. IEE Proceedings Electric Power Applications. Vol. 146, 1999(2): 231-236P
[16]Tseng, C. -J. ; Chen, C. -L. Comparisons of zero-voltage-transition Cuk converters, IEE Proceedings: Electric Power Applications. Vol. 146, 1999 (4): 433-440P
[17]张占松，孙时生，伍言真．电路和系统的仿真实践．第一版．北京，科学出版社，2000：19-64页，109-125页
[18]范爱平．电子电路实验与虚拟技术．第一版．济南，山东科学技术出版社，2001：31-80页
[19]钱恭斌，张基宏．Electronics Workbench实用通信与电子线路的计算机仿真．第一版．北京，电子工业出版社，2001：39-50页
[20]沙占友，新型单片开关电源的设计与应用．第一版．北京，电子工业出版社，2001：26-27页，308-311页
[21]Jai P. Agrawal. Power Electronic Systems Theory and Design. the First Edition. Peking, Tsinghua University Press and Prentice-Hall. 2001: 439-447P
[22]Richard C. Doff and Robert H.Bishop. Modern Control Systems. Ninth Edition. Peking, Science Press and Pearson Education North Asia. 2002: 631-665P
[23]赵志伟．用Cuk电路实现功率因数校正．南京气象学院学报．2000(2)：256-261P
[24]李龙文．UC3855A／B高性能功率因数预调整器．开关电源控制IC应用集锦．1999(10)：344-365页
[25]王正仕，徐德鸿．一种用于APFC的改进型ZVT-BOOST电路．全国电源技术年会论文集．1999(10)：78-81页
[26]王鸿麟，贾明军．零电压开关功率因数控制器ML4822．电信技术．1996(10)：45-46页
[27]李爱文，蔡鸣华．现代功率因数校正技术(PFC)及其应用．山东电力技术．1996(4)
[28]陆鸣等．电源专用集成功率因数校正器件UC1854．第11届全国电源学会论文集．1995：460-468
[29]张纯江，冯军智．单周期控制单相功率因数校正器的分析和设计．电力电子技术．2002(5)：35-37页
[30]赵振波，许伯强．高功率因数PWM整流器综述．华北电力大学学报．2002(4)：36-40页
[31]高潮，罗世国．单级功率因数校正AC／DC变流器降低开关电压应力方法．重庆大学学报自然科学版．2002(9)：20-24页
[32]刘国频．谈电压功率因数与农村电网降损的关系．农村电气化2002(10)：21-21页
[33]高潮，罗世国．降低有源功率因数校正变流器电压应力的方法．中山大学学报自然科学版．2002(5)：34-37页
[34]马存云．PFC与PWM控制器HA16141及其应用电路．国外电子元器件．2002(10)：48-51页
[35]朱方明，余建刚．有源功率因数校正技术原理及应用．现代电子技术．2002(10)：40-42页
[36]谢勇，袁开见．新型充电泵高功率因数电子镇流器．电工技术杂志．2002(8)：20-22页
[37]杨建法，李月国．SMPS初级／次级PFC／PWM控制器世界产品与技术．2002(9)：78-80页
[38]李明亮，王俊才．一种功率因数控制器的研究．山西电子技术．2002(3)：27-28页
[39]周立凯，周静．带非正弦波电流的新颖数字式功率因数校正技术．电源技术应用．2002(9)：476-480页
[40]沙占友，葛家怡．NCP1650型功率因数校正器的工作原理．电源技术应用．2002(9)：457-461页
[41]詹桦，韩雁．功率因数校正器芯片电路UC3854的分析．微电子学．2002(2)：136-138页
[42]余大武，张希斌．数字式单极PFC开关电源控制器iW2202．国外电子元器件．2002(7)：30-33页
[43]高强，颞枝玉．基于ML4841的具有APFC功能的AC／DC变换器设计．自动化技术与应用．2002(3)：26-28页
[44]路秋生．一种新型单级恒功率高功率因数电子镇流器．核工业自动化．2002(1)：22-34页
[45]吴叶兰，廉小亲．基于DSP控制的功率因数校正系统的设计．电测与仪表．2002(7)：27-29页
[46]易军，王红蕾．高功率因数PWM变流器仿真研究．贵州工业大学学报
自然科学版．2002(3)：15-19页
[47]韩磊，叶星宁．一种新型的具有简易APFC的SPIC电路．半导体学报．2002(8)：813-816页
[48]郑春芳，何志伟．单相PFC变换器中电流型控制的发展．电源技术应用．2002(6)：12-15页
[49]李圣清，周有庆．单相单位功率因数开关变流器谐波电流的分析与补偿．湖南师范大学自然科学学报．2002(2)：36-40页
[50]徐云中，熊蕊．一种输入电流间接控制的有源功率因数校正电路分析．电源技术应用．2002(3)：22-23页