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1、高功率因数电源 PFC,XX、XXX、XXX 武汉纺织大学创新实验室 2011年7月,、题目设计要求 （详细设计参考请参见1838面）,一、任务 设计并制作一台具有功率因数校正环节(PFC)的整流电源，要求输出直流电压Uo为36V，最大负载电流为2A，负载为电阻性负载，其电路原理框图如图1所示。,二、要求 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
2、流Io达2.5A时自动保护)。,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(3036)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。,三、说明 1、至少使用2片TI芯片，推荐采用TI公司PFC控制芯片UCC28019。 2、功率因数说明：在假设变压器副边电压U2为标准正弦波条件下，功率因数的计算公式为： 式中：U2、I2分别为变压器副边的电压、电流有效值，I21为I2中的基波分量, 1为U2和I21
3、之间的相位差。考虑到本题电路的特点，为计算简单，可以用U2、I2之间相位差 的余弦 cos 作为功率因数。 3、在隔离变压器前用自耦变压器调整输入电压，用滑线变阻器模拟负载。 4、为测试方便，在制作电路时，留出U2、I2、UO、IO的测试点。 5、调试时，要防止输出端开路或短路。 6、设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序用附件给出。,、高功率因数电源产生的背景,传统的AC-DC变换由交流电网经整流电路采用电容滤波获得直流电压，这种变换电路主要缺点有： （a）、输入交流电压是正弦波，但输入的交流电流是脉冲电流，波形严重畸变，
4、干扰电网电压，产生向四周辐射和沿导线传播的电磁干扰； （b）、为了得到可调的直流电压，采用晶闸管可控整流电路，但脉动很大，需要很大的滤波器才能得到平稳的直流电压。 此外交流电流中含有大量的谐波电流，使电网中电流波形严重畸变，电源的输入功率因数低，利用效率下降。,、提高功率因数的措施,（1）、附加无源滤波器。 在整流器和滤波电容之间接入一个滤波电感Lz，增加输入端交流电流的导电宽度，减缓电流冲击，减小波形畸变，从而减小电流的谐波成分。,（2）、有源PFC 有源功率因数校正简称APFC，主要控制输入电流呈正弦波变化，且与输入电压之间的相位差尽可能接近为0，即功率因数接近为1。按照输入电流的控制，有
5、源功率因数校正有以下几种方法： (a)平均电流型：工作频率固定，输入电流连续（CCM），该控制方式的优点有： （1）恒频控制。（2）工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、EMI滤波器体积小。（3）能抑制开关噪声。（4）输入电流波形失真小。 （b)滞后电流型：工作频率可变，电流达到滞后带内发生功率开关通与断操作，使输入电流上升、下降。电流波形平均值取决于电感输入电流。 (c)峰值电流型：工作频率变化，电流不连续（DCM）。 (d)电压控制型：工作频率固定，电流不连续。,、方案选取,无源功率因数校正电路一般最高只能达到0.9的功率因数，无法满足题目基本部分0.95的功率因数的要求，故我们选择
6、有源PFC 。 有源PFC 集成控制芯片有很多种，比如像UC3854、UC3855、UCC28019.由于UCC28019外围电路简单，调试方便，方案已经相当成熟，故我们采用该方案。,、电路参数设计,UCC28019控制电路原理图,Boost主电路原理图,1.主回路器件的选择及参数计算： 主电路采用Boost主电路结构； 交流220V输入，经过EMI滤波，隔离变压器选择250W、18V输出的隔离变压器； R1和R4电阻分压检测交流输入电压U2， Rs2取样电阻检测输入电流I20，阻值取0.1欧，输入电流接近7A； 整流桥采用15A金属封装的整流桥； R2和R5电阻分压检测整流桥的输出电压； R
7、s3取样电阻检测电感中的流过的电流，阻值取0.04欧； R3和R6分压检测输出电压； RL1为电阻可变负载； Rs1取样电阻检测输出电流，阻值取0.05欧。,开关管要求工作在65KHz，在系统中取IRFP460,最大反向电压可到500V，最大电流20A，导通电阻小，开关管上升时间为120ns.可满足题目要求。 D1二极管主要的功能是使系统快速启动，系统中采用FR307，快恢复二极管D2取1个MUR3060双管并联使用，需要加散热装置 。,2.PFC控制电路设计与参数计算： PFC控制电路采用TI公司的专用PFC芯片UCC28019，作为整个校正系统的控制器。UCC28019为持续传导模式的PF
8、C控制器，锯齿波振荡频率为65K，输出方波最高占空比为97%，内带5V的电压基准，推挽式输出的驱动电压可达12.5V，电流达1.5A。具有电源输入软启动保护，以及反馈电压欠压，过压锁存，和峰值电流限制，此外还设有电压，电流反馈补偿端。校正后的功率因数可达0.99以上，特别适用于BOOST 升压电路，输入电压范围宽，输出功率大。FPC控制的电路设计如下图示： 图 PFC控制及主电路设计图 控制电路15V电压供电，图中R7和C7对输入电压值进行滤波，R7采用221欧的电阻，C7取1000pF，8是电流环的补偿电容，取值1200pF，C6输入电压采样后的滤波电容，取值0.68uF，C9，C10，R8
9、为电压环的补偿环节，R8取值33.2K，C10取值3.3uF，C9取值0.22uF。,整体电路具体参数如图中所示,、有待改进的方面：,1、输入交流电流波形毛刺很严重，如图所示：,2、输出负载电流Io无法上到2A 我们是使用上届学长订做的由多股线绕制的500uH的电感，负载电流Io达到1.7A时，电感发声就很严重，此时主电路工作不正常，输入交流电压、交流电流的失真很严重。如图所示：,这很有可能是电感电流上不去，电感的额定电流太小了。如果减小流过电感的电流，或是增大电感的额定电流值，问题也许就得到解决。,3、接线不规范,使用杜邦线太多，造成系统不稳定因素很多，同时也引入了大量的电磁干扰，在以后设计
10、电路的时候，要有意识的去规划好各模块电路，尽量方便接线、减少接线，避免引入不必要的电磁干扰。,4、理论知识不足,这个也是目前存在的最严重的问题，这个问题在现在特别突出，这几次做的题目，我们几乎都是参考学长给的电路图，连电路的参数也是选择的一样的。但是如果说让我们把BUCK、BOOST、PFC控制的原理、思想方法讲清楚，恐怕很难。这就存在一个理论空洞。,我一直都有这样一种观点：芯片选取、实际采用的方法是会不断改变或是升级的，但是有些设计的基本思想、基础的理论、基本理念是不会改变的。基础扎实，才会不断有所创新。以后做题，在加快进度的同时，还要有意识的加强理论知识的培养，要知其然，也要知其所以然。,
11、、心得体会：,转入做电源的题目后，思维方式与以前做仪器仪表时有很大的不同，电源的题目，主体电路一般就是固定的，我们只能一条道走到黑，但是它的参数（主要包括滤波电感L、输出电容C，输出反馈电阻网络Rf）需要精心计算，每一步设计都要有理有据。特别是在调试电路的时候，思路一定要清晰，否则就很容易忽视一些最基本的问题，而造成很严重的后果。,（a） 变压器副边的地与Boost主电路的地就不能共在一起。变压器副边的地为浮地，流经其电流的方向是变化的，而Boost主电路的地，流经其电流的方向是固定的。,上面的这个电路，由于共地问题，我们就不能用一个示波器既测输入交流电压（或交流电流）的波形，同时又测量输出直
12、流电压（或者G极驱动PWM）的波形。因为示波器两路通道的地在内部已经是连在一起的。 而且在做测量电路的时候，如果不做任何处理，测电压、电流电路与测功率因数角的电路需要两个电源分别供电，数据处理需用两个单片机，或者将测量功率因数角的电路经光耦合隔离电路后再测量，这样就只需一个单片机。还可以采用差分输入运放，这样也可以解决浮地的问题。,（b）PI调节典型应用电路：,R1这个电阻在电路中是必不可少的。但是在我们应用的时候，却往往忽略了这一点。输出电压经分压电阻分压后再经电压跟随，我们想的是与前级电路隔离，但却不知跟随器的输出电阻为零，PI调节缺少P这一项，导致输出电压一直上升，工作不正常，有可能超过
13、输出滤波电容的耐压值。,（c）加法器电路：,这个电路能够实现Vfb=Vf+VDA吗？,比较这个电路与刚才的加法电路，它们有什么区别？从VDD的值和万用表的仿真数据，我们已经得到答案！你看出来了吗？,（d）INA128低端采样电流的问题,注意INA128一定是在低端采样的。否则内部过压保护，输出就不正常。这个在负载滑动变阻器两端接线的时候注意一下就可以了。,当时我们用INA128采得的交流输入电压的波形如图： 我想可能就是因为INA128内部过压保护作用或是输入共模电压受限造成的。如果换成差分输入运放，也许可以采样到正弦电压波形。 转换后的直流输出电压经一级低通滤波，可以减少尖峰电流，这样使得测量值更接近仪表读数。,、附录：,一、各测量与控制模块原理图 1、（电压、电流）相位测量电路,1.1、（电压、电流）相位测量电路（方案二）,2、继电器过流保护执行电路,3、过电流检测与放大电路,实际上这个电路还可以完成输出直流电流的检测，但是AD的测量范围可能要受3V稳压二极管的限制。OP07跟随之后一路送LM311比较，一路经RC低通滤波送AD完成电流采样。 RC低通滤波是滤掉转换后电流波形中的尖峰和毛刺的。这样MCU数据处理可能会更精确一些。,4、反馈电压加法电路,5、UCC28019主控电路,6、系统实物图,报告中错误之处在所难免，还请大家多提宝贵意见。 感谢大家的聆听！谢谢！,
