基于ＯｒＣＡＤ的無源功率因數校正電路的仿真

摘要：本文簡單介紹了OrCAD 9.2軟件，并介紹了無源功率因數校正電路的仿真的仿真，給出了結果。

關鍵詞：OrCAD 開關電源 仿真

1 OrCAD 9.2軟件簡介

Cadence公司的OrCAD 9.2軟件無論是原理圖繪制工具、Pspice仿真工具還是PCB設計工具，都是采用國際工業標準，與國際接軌。OrCAD軟件系統中的每一部分都是相對獨立的模塊，可以根據需要單獨使用，相互之間又有內在聯系，共同構成一個完整的CAD系統，由設計項目實施統一管理。用戶不必花過多的時間來考慮各個軟件的調用，設計數據格式和交換方式，可以將主要精力放在電子線路設計本身。

OrCAD 9.2軟件系統三個模塊的功能與特點：

1.1 OrCAD Capture CIS。這是一個功能強大的電路原理圖設計模塊，除了可以生成各類模擬電路、數字電路、和數模混合電路的原理圖外，還配有元器件信息系統CIS（Component Information System），可以對元器件的調用實施高效管理。該軟件還具有ICA（Internet Component Assitant）功能，可以在設計電路圖的過程中從Internet的元器件數據庫中查閱、調用上百萬種元器件。它是一個完全基于Windows環境的原理圖輸入軟件，兼容Windows標準?？梢哉f，Capture強大的功能和易于使用的特點使其已成為原理圖輸入的工業標準。

1.2 OrCAD Pspice。這是一個通用的電路模塊模擬仿真模塊，除了可以對模擬電路、數字電路和數模混合電路進行模擬仿真外，還具有對電路優化設計的功能。該軟件中的Probe模塊，不但可以在模擬仿真結束后顯示結果信號的波形，而且可以對波形進行各種運算處理，包括提取電路特性參數，分析電路特性參數與器件參數的關系等。

1.3 OrCAD Layout plus。這是一個印制電路板（PCB）的設計模塊，可直接將OrCAD Capture生成的電路圖通過手動或自動布局布線方式轉化為PCB設計。在PCB設計中，采用的層次可達30層，布局分辨率為1m，放置元器件的旋轉角度可精確到(1/60)°。完成PCB設計后，可設計成三維顯示模型，也可直接生成GeRber光繪文件。

2 基于OrCAD的無源功率因數校正電路的仿真

無源功率因數校正法是在AC/DC變換器的輸入端增加無源元件，以補償濾波電容的輸入電流，如在輸入回路中串聯電感器，限制輸入電流的上升率（di/dt），延長導通時間，功率因數可以提高到0.9。無源PFC技術電路簡單，容易實現，但校正效果有限，在實際應用中還受到體積、重量、性價比等各種因素的限制，目前主要在電力系統中有些應用。近年來，無源PFC技術也有所發展，典型的新型無源PFC技術就是利用電容和二極管網絡構成的填谷（Valley Fill）方式PFC整流電路，其基本結構如圖1所示。當輸入電壓高于電容C1和C2上的電壓時，兩個電容處于串聯充電狀態；當輸入電壓低于電容C1和C2上的電壓時，兩個電容處于并聯放電狀態。由于電容和二極管網絡的串并聯特性，這種結構增大了二極管的導通角，從而使輸入電流的波形得到改善。用一個電阻或電感與二極管D2串聯，可進一步改善輸入電流的波形。這種功率因數校正方法可使功率因數達到0.9以上。這種雖然能很好的獲得較高的功率因數，卻不能很好地降低輸入電流的諧波含量。

用OrCAD Pspice A/D對沒有采用功率因數校正時的AC/DC變換器進行仿真，結果表明，由于整流后濾波電容的存在使輸入電流變為一個尖脈沖，在一個周期中的導通時間還遠不到五分之一。利用OrCAD中的Probe模塊對輸入電流進行傅里葉變換得到的頻譜圖如圖2所示。

可以看出，輸入電流產生一系列的高次諧波。在開關電源中，正是由于前端整流濾波電路（即前端AC/DC變換電路）使輸入電流發生畸變，致使開關電源的功率因數嚴重降低。

用OrCAD Pspice A/D對填谷式PFC整流電路進行仿真，結果表明，加無源功率因數校正后輸入電流的尖脈沖有所改善，一個周期內導通時間也明顯增加，校正后可以獲得較高的輸入功率因數，但從輸入電流波形來看，仍存在較大的尖峰，里正弦波形相差尚很遠。輸入電流的諧波分量頻譜圖如圖3所示。從其輸入電流的諧波分量來看，較未加PFC時，高次諧波分量也明顯減少。此外，在仿真過程中還可以發現，加填谷式PFC后，輸出電壓的幅度變化要比未加PFC時候要大，即AC/DC變換的輸出電壓紋波變大。