單相有源功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)開(kāi)題報(bào)告

1、<p>　　儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院</p><p>　　本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開(kāi)題報(bào)告</p><p>　　題 目：?jiǎn)蜗嘤性垂β室驍?shù)校正電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)</p><p>　　學(xué)生姓名： 學(xué) 號(hào)：</p><p>　　專(zhuān) 業(yè)： 電 話：</p><p

2、><b>　　電氣工程及其自動(dòng)化</b></p><p><b>　　指導(dǎo)教師： </b></p><p>　　2013年3月 5日</p><p><b>　　開(kāi)題報(bào)告評(píng)審意見(jiàn)</b></p><p>　　注：用16K紙打印或填寫(xiě)</p><p&g

3、t;<b>　　一、研究目的與意義</b></p><p>　　常規(guī)開(kāi)關(guān)電源功率因數(shù)低的根源是整流電路后面的濾波電容使輸出電壓平滑，但卻使輸入電流變?yōu)榧饷}沖，產(chǎn)生一系列奇次諧波，對(duì)電網(wǎng)造成污染，可能會(huì)造成電子設(shè)備損壞。諧波電流的危害：</p><p>　　諧波電流的“二次效應(yīng)”，即電流流過(guò)線路阻抗而造成的諧波壓降反過(guò)來(lái)使電網(wǎng)電壓(正弦波)波動(dòng)，發(fā)生畸變。</p&

4、gt;<p>　　諧波電流引起電路故障，損害設(shè)備。比如可以使線路和配電設(shè)備過(guò)熱、引起電網(wǎng)LC諧振等。</p><p>　　諧波電流對(duì)自身及同一系統(tǒng)中的其他電子設(shè)備產(chǎn)生惡劣的影響，如引起電子設(shè)備誤操作，引起通信噪聲等。</p><p>　　采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)是解決上述問(wèn)題的有效途徑。</p><p>　　圖1 單相整流電路

5、 圖2 濾波電容引起的輸入電流尖脈沖</p><p>　　二、主要工作內(nèi)容和預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)</p><p>　　2.1了解功率因數(shù)定義</p><p>　　功率因數(shù)的定義是指輸入有功功率(P)和視在功率(S)的比值, 線性電路功率因數(shù)可,cos-𝜑.用表示，𝜑為正弦電流與正弦電壓的相位差。但是由于整流電路中二極管的非線性，導(dǎo)致輸入電

6、流為嚴(yán)重的非正弦波形，僅僅用用cos-𝜑已不能表示整流電路的功率因數(shù)。在電力電子電路中，用PF表示功率因數(shù)。</p><p>　?。↖1——基波電流有效值；In（n≥2）——n次電流諧波有效值；Iin——輸入電流有效值；Vrms——電網(wǎng)電壓有效值；——基波電壓和基波電流的相移因數(shù)）</p><p>　　/ = / 被稱(chēng)為電流的畸變因數(shù)，總諧波畸變（total harmoni

7、c distortion—THD）的定義是所有諧波分量的有效值與基波分有效值的比。</p><p>　　THD= ，THD用來(lái)衡量電網(wǎng)的污染程度。由此可見(jiàn)功率因數(shù)是位移因數(shù)和畸變因數(shù)的乘積。欲提高電路的功率因數(shù),，不僅要減小電壓與電流的相位差，還必須最大限度地抑制輸入電流的波形畸變,實(shí)現(xiàn)真正的正弦輸入電流。</p><p>　　如果在整流濾波后不加濾波電路,僅為阻性負(fù)載時(shí),輸入電流即為正弦

8、波.并且與電源電壓同相位,功率因數(shù)為1.因此,功率因數(shù)校正電路的基本思想就是將整流電路與濾波電容隔開(kāi),使整流電路由電容性負(fù)載變成電阻性負(fù)載。</p><p>　　2.2熟悉有源功率因數(shù)校正原理</p><p>　　有源功率因數(shù)校正電路（Active Power Factor Correction簡(jiǎn)稱(chēng)APFC）其實(shí)就是一個(gè)DC-DC變換器.它是利用脈沖波寬度調(diào)變(PWM)技術(shù)來(lái)調(diào)整輸入功率的

9、大小,以供應(yīng)適當(dāng)?shù)呢?fù)載所需的功率.脈沖波寬度調(diào)變器控制切換開(kāi)關(guān)將直流輸入電壓變換成一串電壓脈沖波,隨后利用變壓器和快速二極管將其轉(zhuǎn)換成平滑的直流電壓輸出.這個(gè)輸出電壓隨即與一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較,所產(chǎn)生的電壓差反饋至PWM控制器.這個(gè)誤差電壓信號(hào)用來(lái)改變脈沖波寬度的大小.如果輸出電壓過(guò)高,脈沖波電壓會(huì)減小,進(jìn)而使輸出電壓降低,使輸出電壓恢復(fù)至正常輸出值.</p><p>　　PFC電路就是利用這個(gè)方法,但是加入了一

10、個(gè)電路,使的來(lái)自交流電源的電流是一個(gè)正弦波并與交流電壓同相位.此時(shí)誤差電壓信號(hào)的調(diào)變是由整流后的交流電壓和輸出電壓的變化來(lái)控制的,最后誤差電壓信號(hào)反饋至PWM控制器.也就是說(shuō),當(dāng)交流電壓高時(shí),PFC電路就從交流電源吸取較多的功率;反之若交流電壓較低,則吸收較少的功率,這樣就可以抑制交流電流諧波的產(chǎn)生.</p><p>　　圖3 APFC的基本原理框圖</p><p>　　2.3 功率因數(shù)校

11、正電路方法分類(lèi)</p><p>　　有源功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)分為： </p><p>　　降壓式：因噪聲大，濾波困難，功率開(kāi)關(guān)管上電壓應(yīng)力大，控制驅(qū)動(dòng)電平浮動(dòng)，很少被采用。 </p><p>　　升/降壓式：需用二個(gè)功率開(kāi)關(guān)管，有一個(gè)功率開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)浮動(dòng)，電路復(fù)雜，較少采用。 </p><p>　　反激式：輸出與輸入隔離，輸出電壓

12、可以任意選擇，采用簡(jiǎn)單電壓型控制，適用于 150W 以下功率的應(yīng)用場(chǎng)合。</p><p>　　升壓式（boost）：簡(jiǎn)單電流型控制，PF 值高，總諧波失真（THD）小，效率高，但是輸出電壓高于輸入電壓。適用于 75W~2000W 功率范圍的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)用最為廣泛。</p><p>　　由于本人設(shè)計(jì)的校正電路預(yù)期輸出功率為200W以上，輸出電壓達(dá)到400V，故選擇升壓式boost拓?fù)洹?lt

13、;/p><p>　　升壓式拓?fù)渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)： </p><p>　　電路中的電感 L 適用于電流型控制。 </p><p>　　由于升壓型 APFC 的預(yù)調(diào)整作用在輸出電容器 C 上保持高電壓，所以電容器 C 體積小、儲(chǔ)能大。 </p><p>　　在整個(gè)交流輸入電壓變化范圍內(nèi)能保持很高的功率因數(shù)。 </p><p&g

14、t;　　輸入電流連續(xù)，并且在 APFC 開(kāi)關(guān)瞬間輸入電流小，易于 EMI 濾波。 </p><p>　　升壓電感 L 能阻止快速的電壓、電流瞬變，提高了電路工作可靠性。</p><p>　　APFC輸入電流控制方法的選擇：</p><p>　　峰值電流控制型 這種方法的特點(diǎn)是輸入電流的峰值包絡(luò)線跟蹤輸入電壓波形，可使輸入電流和輸入電壓同相，并接近正弦。其工作原理是

15、：在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)，功率管VT導(dǎo)通，電感電流上升，當(dāng)電感電流上升到峰值（由基準(zhǔn)電流控制）時(shí)，比較器動(dòng)作，輸出信號(hào)使VT關(guān)斷，電感電流下降，直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期VT再次導(dǎo)通。這種方法的開(kāi)關(guān)頻率是固定的。峰值電流控制方式的電流反饋信號(hào)既可以通過(guò)檢測(cè)電感電流得到，也可通過(guò)檢測(cè)VT上的電流得到?；鶞?zhǔn)電流值由電壓誤差放大器的輸出信號(hào)與整流電壓Vdc的檢測(cè)信號(hào)相乘得到的。圖為峰值電流控制的電感電流波形。峰值電流控制有可能產(chǎn)生次諧波振蕩，因此必須采

16、取斜率補(bǔ)償措施。</p><p>　　滯后電流控制型 這種方法利用滯環(huán)比較器，使電感電流圍繞基準(zhǔn)電流上下變動(dòng)，變動(dòng)的范圍決定于滯環(huán)的寬度。與峰值方式不同的是這種方法的電流反饋信號(hào)必須來(lái)自對(duì)電感電流的檢測(cè)，但是電流基準(zhǔn)信號(hào)是用同樣的方法得到的。通過(guò)這種方式使輸入電流跟蹤輸入電壓波形，可使輸入電流和輸入電壓同相，并接近正弦。這種控制方法的缺點(diǎn)是：開(kāi)關(guān)頻率不固定，使輸出濾波器的設(shè)計(jì)難以?xún)?yōu)化；滯環(huán)控制和峰值控制對(duì)噪聲都很

17、敏感。</p><p>　　平均電流控制型 這種控制方法采用的是電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制。它用電流誤差放大器替代峰值和滯環(huán)方法中的電流比較器，形成電流內(nèi)環(huán)。同樣以輸出電壓誤差放大信號(hào)與整流電壓的檢測(cè)值的乘積為基準(zhǔn)電流，和電流反饋加到電流誤差放大器輸入端，通過(guò)誤差放大器調(diào)節(jié)輸入電流平均值。使輸入電流和電壓同相，并接近正弦波形。輸入電流與基準(zhǔn)電流比較后，其高頻分量被平均化處理，平均電流誤差信號(hào)與鋸齒波比較后形成控

18、制開(kāi)關(guān)VT通斷的PWM信號(hào)。平均電流控制的特點(diǎn)：THD??；對(duì)噪聲不敏感。既可工作于電流連續(xù)模式（CCM），也可工作于斷續(xù)模式（DCM）。</p><p>　　圖4 峰值電流控制型 圖5 滯后電流控制型</p><p>　　圖6 平均電流控制型</p><p>　　2.3 功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)</p><

19、p>　　UC3854 是一種工作于平均電流的的升壓型（boost）APFC 電路，它的峰值開(kāi)關(guān)電流近似等于輸入電流，是目前使用最廣泛的 APFC 電路。具有以下特點(diǎn)：控制升壓PWM的功率因數(shù)達(dá)到99%以上，線電流失真小于5%，輸入電壓可在90V~270V之間變化，低信噪比，1A圖騰柱式門(mén)極驅(qū)動(dòng)電流。</p><p>　　圖7 UC3854 結(jié)構(gòu)框圖</p><p>　　圖8 使用UC

20、3854實(shí)驗(yàn)APFC電路原理圖</p><p>　　2.4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法</p><p>　　輸出波形測(cè)試，使用示波器測(cè)試輸出電壓和電流波形情況，計(jì)算功率因數(shù)。</p><p>　　功率測(cè)試，使用萬(wàn)用表和示波器測(cè)試帶載情況下的功率輸出情況。</p><p>　　2.5 預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)</p><p>　　1.提交一塊可

21、用的功率因數(shù)校正電路板，指標(biāo)為：</p><p>　　a.功率因數(shù)≥95%；b.VIN=220V（AC），P≥200W；c.效率?=80%-85%</p><p>　　d.輸出VO=400V（ DC）。</p><p>　　2.提交一篇總結(jié)研究過(guò)程的畢業(yè)論文。</p><p>　　三、前期準(zhǔn)備工作情況</p><p>

22、　　調(diào)研：了解國(guó)內(nèi)外單相有源功率因數(shù)校正的技術(shù)方法。</p><p>　　查找資料：查找有關(guān)功率因數(shù)校正的論文，校正芯片的資料，開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)的資料。</p><p><b>　　閱讀文獻(xiàn)</b></p><p>　　《Switching Power Supply Design(Third Edition)》 Abraham I.Pressm

23、an and Keith Billing</p><p>　　《精通開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)》Sanjaya Maniktala</p><p>　　《PFC工作原理及PFC典型控制芯片工作機(jī)理及應(yīng)用》李桂臣</p><p>　　《High Power Factor Preregulator》datasheet.com</p><p>　　《現(xiàn)代電力電子

24、技術(shù)元器件識(shí)別、檢測(cè)及應(yīng)用》徐遠(yuǎn)根，劉敏，喬恩</p><p><b>　　設(shè)計(jì)整體電路結(jié)構(gòu)</b></p><p>　　四、核心器件及經(jīng)費(fèi)預(yù)算</p><p>　　五、要求的實(shí)驗(yàn)條件及落實(shí)情況</p><p>　　實(shí)驗(yàn)室：130實(shí)驗(yàn)室</p><p><b>　　計(jì)算機(jī)一臺(tái)</b

25、></p><p>　　測(cè)試設(shè)備：萬(wàn)用表，示波器</p><p>　　六、課題的難點(diǎn)及解決辦法</p><p>　　重難點(diǎn)在于boost升壓電路電感的選擇和制作，UC3854外圍電路的設(shè)計(jì)以及整體電路板的調(diào)試，由于這是一個(gè)純硬件電路，所以調(diào)試起來(lái)會(huì)比較困難，所以在進(jìn)行焊接之前，必須充分閱讀資料，了解電路的特性以及其中各個(gè)元器件的作用，才能更好地進(jìn)行調(diào)試。<

26、;/p><p><b>　　七、時(shí)間安排</b></p><p>　　2012.12-2013.1 收集資料，熟悉有源功率因數(shù)校正方法的原理和特點(diǎn)</p><p>　　2013.3.5 －2013.3.18 (1-2周)設(shè)計(jì)功率因數(shù)校正電路的整體框圖，查閱各部分設(shè)計(jì)的不同方案；</p><p>　　2013.3.19－201

27、3.4.1（3-4周）分析，仿真計(jì)算，確定最終實(shí)現(xiàn)方案；</p><p>　　2013.4.2 －2013.4.22（5－7周）繪制原理圖及制作PCB板；</p><p>　　2013.4.23－2013.5.20（8－11周）電路焊接調(diào)試，改進(jìn)及測(cè)試；</p><p>　　2013.5.21－2013.6.15（12－15周）撰寫(xiě)論文,準(zhǔn)備答辯。</p>

28、;<p><b>　　主要參考資料</b></p><p>　　[1] 《Switching Power Supply Design(Third Edition)》 Abraham I.Pressman and Keith Billing</p><p>　　[2] 《精通開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)》Sanjaya Maniktala</p><