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1、13北京交通大学毕业设计（论文） 第 页第一章 绪论1.1 选题背景和意义随着全球工业化进程的加剧，以石油为主的能源短缺问题开始逐渐凸现，当前，能源短缺和排放法规越来越严格是汽车工业发展的两大挑战，也是汽车技术不断发展的重要推动力。电动车以其节能、环保的特点，受到广泛关注。全球各个国家都把电动车的发展放到重要的战略地位，各国都在致力于清洁，环保的电动车的研制开发。为了推动电动车的产业化进程，电动车相关技术也得到国内外的广泛重视。对于电动车来说，车载电源是其不可或缺的重要装置，而车载电源已被列入“十五” 、“863”电动车重大专项中。车载电源是以现代开关电源技术为基础的，广义地从电网给电源供电的
2、角度看，大部分开关电源可以认为是市电带的非线性负载，会在电网中产生大量的电流谐波。这个谐波属于无功功率，会在电网中往复流动却不做功，消耗着大量的功率从而严重影响电网效率和运行安全，造成巨大能源浪费和经济损失。解决这个问题的最根本办法就是将所有的用电设备设置为电阻性负载，使得无功输入功率尽可能的减小。随着电动车的不断推广，充电电源越来越得到大规模的使用。因此，大量电动车用充电电源工作时对电网的污染将不容忽视。针对高次谐波问题，从上世纪九十年代初，各国开始以立法形式来限制电网高次谐波，传统的开关电源都在限制之列。抑制和消除谐波，提高功率因数已成为当今国内外电源界的重要课题。事实上，开关电源的有源功
3、率因数校正技术(Power Factor Correction technique, PFC技术)引起了国内外许多学者的重视，功率因数校正技术可以调节电网的输入特性，使得输入功率有功最大化，令开关电源成为电网的纯阻性负载，可以使电网效率最大化，提高运行安全，保护敏感设备。近几年来，国内外科研人员在PFC的原理、方法、电路拓扑、控制技术等方面也取得了许多成果。因此PFC技术作为一种绿色能源技术被广泛推广。随着PFC技术的推广，许多工业开关电源与家电的前端都采用了功率因数校正PFC预调节器。但是随着单相有源PFC技术的成熟和功率等级的进一步提高，原有单重PFC方案的使用受到限制。因为功率的增加，单
4、重PFC的开关器件要承受过高的瞬间电压和电流应力，出现选择器件的困难，增大成本，而且还将增大电路中关键点的电压电流瞬变，造成较为严重的辐射和传导的EMI。近年来，一种新兴的功率因数校正PFC技术交错式PFC的使用开始逐渐普及。这种技术能降低功率器件的耐压、耐流要求和输入电流纹波；成倍增加输出功率的等级，减少单个电感的容量。从而大幅减少整个功率电路的成本。因此交错PFC非常适合用于大电流、高功率的应用领域。本课题就是立足于设计开发电动车车载充电电源的功率因数校正部分，以车载电源的前级PFC预调节电路为对象，研究设计这种交错式PFC功率因数校正电路，以期能够减少充电电源对电网的污染，提高充电电源的
5、功率因数，降低谐波含量使其成为绿色电力电子设备。1.2 主要研究内容1、研究交错boost PFC工作原理，选择合适的控制方案，结合matlab仿真，在理论上说明交错PFC的应用价值。2、根据课题要求，选用UCC28070实现PFC控制功能。并学习IC功能。3、结合工程实际，设计交错PFC预调节电路的主电路、控制电路及外围电路参数，并选择合适的元器件。 4、使用protel和solidworks软件绘制pcb电路板和散热片，并制作样机，调试，最后给出实验结果。第二章 基本理论2.1 Boost电路工作原理 升压式(Boost)变换器是一种输出电压等于或高于输入电压的单管非隔离直流变换器。电路结
6、构见图2-1。图2-1 根据电感电流是否连续，boost可分为连续、断续和临界状态三种工作模式，在本文中只针对连续模式进行研究。连续工作原理如图2-2： 图2-2 (a) s开通时 （b）s关断时开关管由信号控制，高电平时，S开通，反之关断。S导通时，,电感充电储能，电容C向负载供电；S关断时，由于电感电流不能突变，二极管D为电感续流，此时电感上储存的能量传递到电容、负载侧，由于电感电流减小，电感感应电势，故。在电感电流连续的情况下，输入输出端的电压表达如下：在稳定工作时，由于功率平衡原理，电感两端电压在一个周期内的积分为0。S导通期间： S关断期间： 故 两边同时除以开关周期，整理后得到输出
7、电压与占空比关系 (2-1)由式（2-1）可知，输出电压与输入电压的比值始终大于1，即输出大于输入电压。当输入电压是由整流桥提供的半正弦电压的情况下，在每个开关周期内，上式同样成立，并且可以推出电感电流： (2-2)其中，为整流桥后的输入电压。2.2 功率因数校正技术简介2.2.1 输入功率因数PF在电工原理中，功率因数通常用表示，为正弦电压和正弦电流的相角差。输入功率因数定义为输入有功与输入视在功率的比值，以PF表示： ( 2-3)式中：为输入电流基波有效值；为电网电流有效值，、.为输入电流各次谐波有效值，为输入电压基波有效值；为输入电流的波形畸变因数；为基波电压和基波电流的位移因数。功率因
8、数由输入电流的波形畸变因数以及基波电压和基波电流的位移因数决定。位移因数越小，则设备的无功功率越大，设备的电力利用率越低，导线和变压器绕组的损耗越大；越小，表示设备输入电流谐波分量越大，将造成电流波形畸变，对电网造成污染，使功率因数降低，严重时会造成电子设备损坏。通常采用无源电容滤波的二极管整流电路的输入端的功率因数只能达到0.65左右。由式(2-3)可知，抑制谐波分量即可达到减小、提高功率因数的目的。所有谐波电流分量的总有效值与基波电流有效值的比值称为总谐波畸变（THD），其表达式为： (2-4)其中，为所有谐波电流分量的总有效值。总谐波畸变THD用来衡量电网的污染程度，当=0时，功率因数与
9、总谐波畸变的关系为： (2-5)2.2.2 功率因数校正技术分类在以交流电网为电源的用电设备中，直流开关电源是必不可少的部分。一般开关电源的前级为一个简单的ACDC变换器，由普通二极管整流桥实现，输出一个不可调直流电压，再用一个大电容滤除低频纹波，从而将交流电整为直流电。在使用二极管整流桥作为电网与用电设备的接口时，由于二极管导通角很小，当交流电压大于电容上电压时，此整流电路才能够从电网中摄取能量，因此电网仪在每个工频周期的一小部分时间里(即正弦电压的峰值附近)给负载提供能量。其典型电路及整流桥后侧输入电流波形如图2-3。图2-3 简单二极管整流桥及输入电流畸变波形图为使开关电源有较低的谐波和
10、较高的功率因数，功率因数校正技术(power factor correction，PFC)被广泛应用。功率因数校正技术根据是否采用有源器件可以分为无源功率因数校正技术和有源功率因数校正技术。1、无源功率因数校正无源功率因数校正（passive power factor correction，PPFC）技术是指采用滤波电感和电容构成一个无源网络使得输入电流满足谐波限制要求，完成功率因数校正。结构如图2-4所示。图2-4无源PFC技术的主要优点是:高效、高可靠度、EMI小、低价格。然而，无源方案的主要缺点是:滤波和滤波电容的体积、质量较大，且难以得到高的功率因数(一般可提高到0.9左右)，输入谐波
11、电流的抑制效果也不好。2、有源功率因数校正有源功率因数校正（active power factor correction，APFC）电路是指采用开关管和控制电路等有源器件，使得AC侧电流在一定程度上正弦化，从而减小装置的非线性，实现PFC功能。通常的基本思想为：在整流器后接入一个DC/DC变换器，应用电流反馈技术，使输入端的电流波形自动跟踪交流输入电压波形，可以使输入电流接近正弦波，且与输入电压同相位。使输入端的总谐波畸变小于5%，而功率因数可以提高到0.99或更高，达到功率因数校正的目的。有源PFC技术由于变换器工作在高频开关状态，具有体积小、重量轻、效率较高和功率因数高等优点。APFC电路
12、形式多样，从电网供电方式划分，可分为单相PFC和三相PFC。从电路结构看，可以分为双级型和单级型，双级型电路由boost变换器和DC/DC变换器级联而成，前级boost实现PFC功能，后级DC/DC实现隔离和降压，其优点是每级电路可以单独设计和控制，适合于分布式电源系统的前置级和模块化设计。单级式PFC是将双级型的前后级功能稳定于一级，结构简单、效率高，但分析控制较复杂，适用于单一集中式电源系统。两者的电路结构如图2-5。 图2-5 (a) 两级PFC (b) 单级PFC由电感电流是否连续，APFC可还分为三种工作模式：连续模式（CCM）、不连续模式（DCM）和临界模式（CCM&DCM）。在几
13、百瓦范围内，三种模式都可以使用，在大功率场合，CCM模式与CCM&DCM及DCM相比，其输入和输出电流纹波小，电磁干扰小，滤波容易；电流有效值小、器件导通损耗小，较适应于大功率应用场合。一般来说，500W以上通常使用CCM和CCM&DCM，1000W以上使用CCM。APFC可采用各种电路拓扑，如Boost、Buck，Boost或Flyback等，其中，运用boost电路的APFC，在CCM模式下输入电流畸变小且易于滤波，开关管的电流应力也小，可以处理更大的功率并有较高的效率，因此应用boost拓扑的APFC电路应用较为广泛。以boost为例，分别检测前后端电压电流信号作为反馈，通过反馈的变化来
14、控制开关管的导通。只要控制好每个开关周期，电感电流就会追踪交流输入电压，将电感电流高频成分滤除之后，就会变为工频电流。这样输入电流与电压同频同相，就达到功率因数校正的目的。由于车载电源设计要求可以与普通的交流电源插座直接连接；同时，课题是在双级PFC车载电源的背景下建立的，且功率等级高。因此，作为车载电源的前级预调节电路，本论文涉及的交错PFC属于单相双级连续导电模式的前级有源功率因数校正电路。2.2.3 APFC控制方案及选择有源功率因数校正控制技术在控制方法上可分为电流峰值法、电流滞环法和平均电流法。 1峰值电流法电流峰值法是将实际检测的电感电流和电压环环设定的电流值输入到PWM比较器进行
15、比较，如图2-6所示。图中，开关管Tr的电流is被检测，所得信号isRi送入比较器。由开关Tr的门极信号Vg控制电感电流的高频调制。当Tr导通时，电感电流上升，达到峰值(由电流基准控制)；这时比较器输出信号，使Tr关断，电感电流下降。下一开关周期，Tr再次导通。如此进行周期性变化。电流峰值法控制时电感电流波形如图所示。在这种控制方式中，开关频率是恒定的。图2-6 电流峰值控制的Boost PFC电路及电感电流波形此方法问题是，电感电流上升的坡度在输入电压很小时，会非常陡，所以很容易受噪声干扰，开关通断时会产生噪声尖峰，如果这个尖峰耦合到控制电路上，就可能使开关管关断。另外还存在斜坡补偿和尖峰电流与平均值误差较大等问题。2电流滞环法电流滞环法是在峰值法的基础上加了一个滞环逻辑控制器，使电感电流在上下限之间变化，如图2-7，电流平均值在上下限之间，电流滞环的宽度决定了电流
