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1、2019/10/5,1,2008年 TI杯湖北省电子设计竞赛 高功率因数电源(E),高 学 军 三 峡 大 学,2019/10/5,2,出题意图分析 高功率因数电源方案分析 控制方案 TI PFC控制芯片 2008年题目分析、参数计算 电压设定 测试时发现部分问题 其它有关电力电子的竞赛题目,2019/10/5,3,1. 出题意图分析,电力电子题目 TI芯片 控制CPU-MSP430 运算放大器 A/D转换 电力电子器件驱动芯片： UCC27200、UCC27201 专用芯片：PFC芯片 ucc28019,2019/10/5,4,单相正弦波变频电源,电力电子器件驱动芯片： UCC27200、U
2、CC27201,2019/10/5,5,PFC芯片 ucc28019,高功率因数电源,2019/10/5,6,2. 高功率因数电源方案分析,传统AC-DC电路1 输入交流电流波形严重畸变 存在大量的非正弦电流谐波电流 功率因数下降,1开关电源的原理与设计（修订版），张占松 蔡宣三编著,2019/10/5,7,功率因数校正,2019/10/5,8,功率因数校正器 Power Factor Correction (PFC)的分类： 无源PFC（也称被动式PFC）：采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，但无源PFC的功率因数不是很高，只能达到0.70.8； 有源PF
3、C（也称主动式PFC）：由电感电容及电子元器件组成，体积小，可以达到很高的功率因数，但成本要高出无源PFC一些。,2019/10/5,9,有源PFC电路，具有以下特点： 输入电压可以从90V到270V； 高于0.99的功率因数，低损耗； 输出不随输入电压波动变化，因此可获得高度稳定的输出电压； 有源PFC输出DC电压纹波很小，且呈100Hz/ 120Hz（工频2倍）的正弦波，因此采用有源PFC的电源不需要采用很大容量的滤波电容。,2019/10/5,10,Boost有源功率校正器原理图,Boost Buck ,2019/10/5,11,PFC的控制策略分类：电感电流是否连续 电流断续模式(DC
4、M) 电流连续模式(CCM) 介于两者之间的临界DCM(BCM) 有的电路还根据负载功率的大小，使得变换器在DCM和CCM之间转换，称为混连模式(Mixed Conduclion Mode一一MCM)。,2019/10/5,12,直接电流控制检测整流器的输入电流作为反馈和被控量，具有系统动态响应快、限流容易、电流控制精度高等优点。 直接电流控制有峰值电流控制、滞环电流控制、平均电流控制，预测电流控制、无差拍控制、单周控制、状态反馈控制、滑模变结构控制、模糊控制等方式。,2019/10/5,13,峰值电流控制 开关管在恒定的时钟周期导通，当输入电流上升到基准电流时，开关管关断。采样电流来自开关电
5、流或电感电流。峰值电流控制的优点是实现容易 缺点较多： 电流峰值和平均值之间存在误差，无法满足THD很小的要求； 电流峰值对噪声敏感； 占空比0.5时系统产生次谐波振荡； 需要在比较器输入端加斜坡补偿器。,2019/10/5,14,2019/10/5,15,2019/10/5,16,滞环电流控制 开关导通时电感电流上升，上升到上限阈值时，开关管关断，电感电流下降；下降到下限阈值时，开关管导通，电感电流上升。 滞环电流控制是一种简单的Bang-hang控制，它将电流控制与PWM调制合为一体。结构简单，实现容易，且具有很强的鲁棒性和快速动态响应能力。其缺点是开关频率不固定，滤波器设计困难。,201
6、9/10/5,17,2019/10/5,18,2019/10/5,19,平均电流控制 平均电流控制将电感电流信号与锯齿波信号相加。当两信号之和超过基准电流时，开关管关断，当其和小于基准电流时，开关管导通。取样电流来自实际输入电流而不是开关电流。 由于电流环有较高的增益带宽、跟踪误差小、瞬态特性较好。THD(5)和EMI小、对噪声不敏感、开关频率固定、适用于大功率应用场合，是目前PFC中应用最多的一种控制方式。,2019/10/5,20,2019/10/5,21,2019/10/5,22,预测电流控制 通过对输入、输出电压和输入电流的采样，根据实际电流和参考电流的误差，选择优化的电压矢量(脉冲宽
7、度)作用于下一个周期，使实际电流在一个周期内跟踪卜参考电流，实现稳态无误差。 其优点是开关频率固定，动态性能良好，电流谐波小，器件开关应力小，数字化实现简单。 其缺点是要求较高的采样频率和开关频率，在低的采样频率下，会产生周期性的电流误差。,2019/10/5,23,单周控制(积分复位控制) 单周控制是一种非线性控制，同时具有调制和控制的双重性。单周控制通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的。这种方法的基本思想是通过控制开关占空比，在每个周期内强迫开关变量的平均值与控制参考量相等或成一定比例，从而在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，前一周期的误差不会带到下一周期。 单周控
8、制能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、抗干扰、控制电路简单等优点。,IR1150是一种新型的单周期(0ne-cycle control，OCC) PFC控制芯片,2019/10/5,24,无差拍控制 无差拍控制的基本思想是将输出参数等间隔地划分为若干个取样周期。根据电路在每一取样周期的起始值，预测在关于取样周期对称的方波脉冲作用下某电路变量在取样周期末尾时的值。适当控制方波脉冲的极性与宽度，就能使输出波形与要求的参数波形重合。不断调整每一取样周期内方波脉冲的极性与宽度，就能获得波形失真小的输出。 其优点在于数学推导严密、跟踪无过冲、动态性能好，
9、易于计算机执行等。 缺点是计算量大，且对系统参数依赖性较大。但是，随着数字信号处理单片机(DSP)应用的不断普及，这是一种很有前途的控制方法。 基于空间电压矢量PWM的电流无差拍控制方法，开关频率恒定，调节性能良好，代表了目前国际上PFC技术的先进水平。,2019/10/5,25,滑模变结构控制 上世纪50年代在前苏联发展起来的滑模变结构控制，用于控制电力电子变换器有其天然的合理性。因为构成多种变换器的电子开关所产生的不连续性，使各类电力电子变换器正好被描述为变结构系统，而在变结构系统中滑模变结构控制的滑动模态具有不变性，即对系统的变化和外部干扰不敏感，具有很强的鲁棒性。这样，滑模变结构控制就
10、能很容易地应用于整流器、逆变器及由开关变换器驱动等相关领域的应用研究，并获得良好的控制效果。 应用滑模变结构控制方法可以在输入电流的稳态特性和输出电压暂态特性之间进行协调，在使输入电流满足有关标准的前题下，尽可能地提高输出电压动态响应。,2019/10/5,26,TI PFC控制芯片2,2. zhct014c 电源管理选择指南 (Rev. H),2019/10/5,27,2019/10/5,28,2019/10/5,29,UCC28060 Natural Interleaving Transition TM UCC28070 Continuous Conduction Mode ACM UCC
11、28061 Natural Interleaving Transition TM UCC28019 8-Pin PFC Controller ACM UC3852 Transition Mode PFC Controller TM UC3853/A 8-Pin PFC Controller ACM UC3854 PFC Controller ACM UC3854A/B Improved PFC Controller ACM UC3855A/B High Performance Soft Switching ACM UCC38050/1 Transition Mode PFC Controlle
12、r TM UCC3817A/8A BiCMOS PFC Controller ACM UCC3819A Tracking Boost PFC Controller ACM UCC38500/1/2/3 PFC+PWM Combo Controller ACM UCC28510/1/2/3 Advanced PFC+PWM Combo ACM UCC28514/5/6/7 Advanced PFC+PWM Combo ACM UCC28521/8 Advanced PWM/PFC Combo ACM,2019/10/5,30,3. 2008年题目分析参数计算,PFC芯片 ucc28019 电压等
13、级 设计制作、控制等 谐波分析、计算等,高功率因数电源,2019/10/5,31,1、基本要求 （1）当电压U2为(1519)V，负载电流IO为(0.52)A时，要求输出电压UO稳定在36V，其误差的绝对值小于5% 。 （2）变压器副边电流I2的波形应为正弦波，失真度小于5% 。 （3）电路功率因数大于0.95（在变压器副边测量）。 （4）输出电路具有过流保护功能(输出电流IO达2.5A时自动保护)。,2019/10/5,32,2、发挥部分 （1）设计制作检测输出电压和输出电流的测量电路，其测量误差绝对值小于2% 。 （2）当U2电压为18V，负载电流为(0.52)A时，能对输出电压UO在(3
14、036)V范围内设定，其测量误差的绝对值小于2% 。 （3）设计制作功率因数测量电路，其测量误差的绝对值小于2% 。 （4）其他。,2019/10/5,33,UCC28019,2019/10/5,34,UCC28019 (SOIC-8, PDIP-8),1 GND：芯片接地端 2 ICOMP：电流环路补偿 3 ISENSE：电感电流检测 4 VINS：交流输入电压检测,2019/10/5,35,UCC28019 (SOIC-8, PDIP-8),8 GATE：栅极驱动，可以驱动1或多个MOSFET，提供1.52.0A驱动电流，输出电压箝位于12.5V。 7 VCC：工作电源 6 VSENSE：
15、输出电压检测 5 VCOMP：电压环路补偿,2019/10/5,36,4 电压设定,电位器手动 数字电位器 D/A芯片 PWM,2019/10/5,37,计算,2019/10/5,38,继电器控制,2019/10/5,39,数字电位器 X9312W-10K,2019/10/5,40,数字电位器 DS1267-10 10K,2019/10/5,41,D/A转换芯片-12位(n)-空雷,2019/10/5,42,D/A,2019/10/5,43,D/A,RFB1 100K,RFB2 15K,Vsense,10K,Vout,D/A输出,2019/10/5,44,PWM 和D/A原理相同 区别在于调节
16、占空比+滤波,2019/10/5,45,5. 测试时发现部分问题,没有按照题目要求留测试点 没有隔离变压器(直接调自藕变压器-危险) 电流线太细（2.5A电流） 负载问题：电炉-表笔滑动(5A100欧滑线变阻器) 示波器接地接两个地线端(X) 没有做必须的12V、5V电源 自动恢复问题 注意审题：测试条件、报告要求,2019/10/5,46,失真度总谐波畸变因数（THD-Total Harmonic Distortion） 功率因数（PF）,2019/10/5,47,2005年全国：三相正弦波变频电源（G题） 2006湖北省：功率因数监测与补偿实验系统 2007年全国：开关稳压电源（E题） 2008湖北省：高功率因数电源（E题） 2006吉林省：单相正弦波变频电源（A） 2008长春工业大学：可控脉冲电源（E） 2008黑龙江：24V交流单相在线式不间断电源 2008福建省
