《学位论文-—单相有源功率因数校正电路设计与实现》由会员分享，可在线阅读，更多相关《学位论文-—单相有源功率因数校正电路设计与实现（41页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、摘要本文在分析造成电网谐波污染原因的基础上，根据设计指标提出的220V交流输入，直流电压400V /200W的输出要求，设计了单相有源功率因数校正电路。该电路由功率变换电路、控制电路和辅助电源电路组成。通过对升压式、降压式、升降压式和反激式拓扑的工作原理进行分析比较，选取升压拓扑作为功率变换电路，以保证较高的电源效率和功率因数；控制电路选取具有电压反馈和电流反馈的双反馈环集成芯片UC3854，以保证稳定的输出电压和与输入电压同相位、正弦化的输入电流波形；辅助电源电路采用磁集成技术，将电感和变压器集中在一个磁芯设计，达到了减少成本、缩小体积的目的。经测试，在220V交流输入的条件下，本文设计的电
2、路可提供400V直流电压、200W功率输出，输入电流和电压相位相同，谐波失真率低，且功率因数在0.95以上。长时间工作后，输出电压和输入电流保持稳定，器件温升不超过50，满足设计指标要求，实现了功率因数校正的目的。关键词 功率因数 Boost 乘法器 UC3854AbstractThis paper analyses the reasons of harmonic pollution. According to the design requirements of the 200W output power, output 400V DC and 220V AC input requireme
3、nts, design a single-phase active power factor correction circuit. The circuit consists of power conversion circuit, control circuit and auxiliary power circuit. By analyzing and comparing the work principles of the boost, buck, buck-boost and flyback topology, we choose the boost circuit topology.
4、In order to guarantee the power efficiency and high power factor, control circuit selects the integrated chip UC3854 with double feedback loops of the voltage feedback and current feedback in order to guarantee a stable output voltage and sinusoidal input current waveform that phase with the input v
5、oltage. Auxiliary power supply circuit adopts the technology of integrated magnetic. Inductor and transformer focus on a core design, reducing the cost and volume . After testing, with the 220V AC input condition, this design can provide 400V DC voltage, 200W power output, input current and voltage
6、phase same, low distortion rate of harmonic, and the power factor above 0.95. After long time work, the output voltage and input current are stable, and the temperature rise of devices is below 50 , meeting the requirements of design and the purposes of power factor correction.Keywords: Power Factor
7、; Boost; Multiplier; UC3854目录1 绪论11.1 课题研究的背景和意义11.2 开关电源的功率因数校正11.3 本课题研究内容42 单相有源功率因数校正电路方案选择52.1 单相有源功率因数校正电路总体结构52.2 单相有源功率因数校正电路拓扑选择与比较62.3连续模式和不连续模式下Boost电路对比83 功率变换电路参数设计113.1 Boost输出电感L的选择113.2 Boost电感器的制作123.3 Boost输出电容的选择143.4 功率开关管与整流二极管的选择164 控制电路参数设计184.1 功率因数校正芯片UC3854184.2 UC3854实现输入电
8、网电流的正弦化194.3 UC3854乘法器的设定214.3.1前馈电压信号VRMS224.3.2电压误差放大输出VAOUT234.3.3乘法器输入电流IAC234.4 UC3854芯片控制电源输出功率244.5 Boost电路开关频率的选择254.6 电流误差放大器的补偿264.7 UC3854的峰值电流控制285 辅助电源参数设计305.1 磁集成技术305.2 18V三极管串联稳压电路306 测试结果分析326.1 测试指标与测试方法326.2 电感和输出结果测试326.3 关键波形测试与分析33总结35参考文献361 绪论1.1 课题研究的背景和意义以开关电源为代表的各种电力电子设备为
9、我国工业生产和社会生活的发展做出了巨大贡献，但是广泛应用于电力电子设备中的不可控二极管整流器，使电源线上产生脉冲电流，导致输入电流不是正弦波，含有很高的谐波分量，结果是使输入电流流过线路阻抗时产生谐波压降，谐波压降的产生使正弦波电网电压波动进而产生畸变，最终电能质量下降，污染了电网。随着谐波电流污染的日益加重，电网的质量已经不能得到保证，国际电工委员会( IEC) 1998年制定了IEC61000-3-2标准，功率因数校正电路也越来越受到人们的重视。功率因数校正电路（PFC）分为有源和无源两种，无源功率因数校正电路通过增加电感、电容等无源器件抑制脉冲电流，提高功率因数，但是这种方法功率因数只能
10、校正到0.8左右，谐波抑制在50%左右。而有源功率因数校正电路不仅体积小，同时还能够将功率因数提高接近1，并保持直流输出电压的恒定。在地球物理探测仪器中，有源功率因数校正电路的应用能够极大的减小发电机输出电流的脉动，提高发电机的可靠性；减缓AC-DC电源内的大电容的充电电流脉动，提高电源稳定性；使发电机能够在满载功率下工作，从而减小发电机的容量。1.2 开关电源的功率因数校正功率因数一词是来自于基本的交流电路原理。当正弦交流电源给感性或者容性负载供电时，负载电流虽然也是正弦的，但是与输入电压相比会滞后或者超前一定的角度。实际上传递到负载的功率只有ViIisin。只有与负载两端的电压同相位的输入
11、电流分量Iicos向负载提供功率，功率因数定义为cos。在开关电源领域，任何电路结构能够使输入电网电流非正弦化或使输入电流产生谐波都会降低电路的功率因数进而产生功率损耗。因为与负载两端电压垂直的输入电流分量（Iisin）不能够向负载提供功率，而是在输入电源内部和输入线路电阻上将功率消耗。对于在桥式整流器后面接入电容滤波的开关电源，会造成输入电网电流的上升沿和下降沿都很陡的窄脉冲。这些脉冲的有效值会很高，不仅消耗功率还会产生很多的电磁干扰问题。以交流电路原理术语来说，这种电源功率因数较低。功率因数校正电路的作用就是要消除这种输入电网电流尖峰，从而使输入电流正弦化并且和输入电压同相位，最终得到一个
12、比交流输入电压峰值略高的稳定直流电压输出。由图1.1（a）和图1.1（b）可知，如果没有滤波电容Co并且负载为纯阻性，那么输出电压Vo将会是正弦半波ABXCDYEF，从整流器出来的电流和输入端吸收的电网电流也将会是相同的正弦半波，并且与正弦输入电压同相位，功率因数是1。如果将输入电压和电流的有效值定为Vi和Ii，那么输入功率和输出功率可以表示为ViIi。像ABXCDYEF（图1.1（b）这样的正弦半波输出电压在很多场合都不适用。因为整流器的目的是将交流输入电压变换成纹波尽量小的直流电压，也正是因为如此，我们才接入电容Co用来产生波形ABCDEF。从而产生比较高的直流电压分量（在B和C或D和E的
13、中间）和较低的B-C或C-D的峰峰值纹波。因为在B和C或D和E之间，所有的整流二极管都会被反偏，不会有电网电流流过，负载的电流由电容Co提供。在A、C和E时刻，上升的输入电压会使整流二极管正向导通，此时电网电流流经负载并且给电容充电，以补偿其单独给负载供电所损失的电荷。图1.1 (a)和(b)输入桥式整流器后面接电容滤波器和不接电容滤波器的电 压波形，(c)连接电容Co时的输入电网电流波形在选用合适的滤波电容Co时，电网电流波形如图1.1（c）所示，它是每个正弦半波输入电压前端的一系列的电流窄脉冲。滤波电容值越大，输入电流的脉冲宽度则越窄，上升和下降时间更短，峰值更高，有效值更大。功率因数校正
14、技术的目的就是为了消除这窄而陡的电网电流脉冲。因为这些电流会引起频射干扰（RFI）问题，更为严重的是，它的有效值比负载所需要输出功率要大，这就造成了滤波电容的温升提高从而降低了其可靠性。1.3 本课题研究内容本课题的主要目的在于设计单相有源功率因数校正电路电源模块。根据最终输出的结构参数，要求供电电源提供功率200W、电压400V的直流输出。综上所述，本课题主要工作有：学习开关电源功率变换器拓扑与设计、电力电子技术计算机仿真、磁集成电感器的设计方法以及PCB软件设计等知识，完成有源功率因数校正电路的设计，包括功率因数校正电路、PWM控制电路和功率变换器拓扑的设计与参数计算。预期目标为：提供能够
15、进行功率因数校正功能的的PCB板制电源，该电源的具体指标要求为：A、输入电压为220V交流；B、输出电压为400V直流，功率200W以上；C、功率因数0.95以上，效率80%以上。2 单相有源功率因数校正电路方案选择2.1 单相有源功率因数校正电路总体结构根据设计内容要求，220V交流电经过输入电路整流通过功率变换电路，转换为直流电。首先利用经典的脉宽调制技术(PWM)来调整输出功率的大小，为负载所需要的功率。利用电路中电感能够储能的特性，通过控制脉冲波宽度来调整开关管的导通时间，从而将交流输入电压变换成一串电压脉冲波，最后利用电容和快恢复二极管将一系列的电压脉冲转换成稳定的直流输出电压。通过采样电路将输出电压与一个参考电压进行比较，然后产生的电压误差进行放大并反馈至PWM控制器。使用误差电压反馈信号构成电压反馈环来维持输出电压的恒定。当输出电压高于期望值时，误差电压反馈信号会使得脉冲波宽度减小，降低输出电压，从而使输出电压保持稳定。在有源功率因数校正电路中进行脉冲宽度调节的同时我们加入另外一个电路，构成电流反馈环，调节来自交流电源的输入电流保持正弦波形并与交流输入电压同相位。但是此时由整流后的交流输入电压和输出直流电压的变化共同组成误差电压反馈信号，最后误差电压反馈信号传送到PWM控制器，保持输出电压稳定。由上述内容可知整个
