实验九整流电路有源功率因数校正V1.0版

实验九 整流电路有源功率因数校正实验一、实验目的(1)熟悉有源功率因数校正电路的结构与工作原理。(2)了解功率因数控制芯片的使用方法和工作原理。二、实验所需挂件及附件序号型 号备 注1PE-01 电源控制屏2PE-24 整流电路有源功率因数校正3PE-40 单相智能型功率、功率因数表4慢扫描双踪示波器自备5万用表自备三、实验线路及原理(1)多数电子镇流器和开关电源一般都使用二极管不控桥式整流和大容量滤波电容器从交流电源获得直流电压，如图6-33所示。图6-33 整流电路当瞬时交流电压超过电容电压时，整流电路从交流电源获得功率，这种情况出现在交流电源电压峰值附近，并导致大的充电电流尖峰，见图6-34。(2)功率因数（Power Factor）的定义是指：交流输入有功功率与输入视在功率的比值，其表达式为：式中，是电网电压有效值，是电网电流有效值，是基波电流有效值，是电网电流交流失真因数，是基波电压和基波电流的相移因数。因此功率因数又可定义为失真因数与相移因数的乘积。假设输入电流无谐波时或，故上式变为。经传统开关电源整流滤波的输入电流有效值（其波形是指在输入电压峰值处才出现的窄脉冲），等于基波与各次谐波之和（各谐波平方和之平方根）。在输入电流中只有基波电流才做功，而其他各次谐波的平均功率为零不做功。功率因数校正的基本原理，就是从电路上采取措施，使电源输入电流实现正弦波，并与输入电压保持同相。可以证明，功率因数与电流总谐波失真的关系为：图6-34 未校正功率因数时的输入电压、电流波形正弦化是使其它谐波为零，即，则失真因数；同相位是使，即，使相移因数。综合这两种结果，就实现了功率因数为1的重要目标，即公式。图6-35 功率因数校正电路基本工作原理方框图(3)实现或者基本实现功率因数校正的方法有多种，有源校正技术，特别是单相升压式高频有源功率因数校正电路，具有高的功率因数值。功率因数校正电路基本工作原理见图6-35。由储能电感L、高频大功率开关管S、单向二极管D和滤波电容C共同组成Boost(即升压式)变换器电路。其中开关管S受恒定高频脉宽调制（PWM）开关信号的控制。输入电压经R1、R2分压器采样和检测后加到乘法器输入端；输入电流经检测后也加到乘法器输入端；另外输出电压VB经R3、R4分压取样和检测后，又与参考电压比较后输出误差信号也加到乘法器。乘法器是功率因数控制器的关键环节。在较大的动态范围内，乘法器的传输曲线呈线性。当正弦波交流输入电压从零升至峰值电压时，乘法器输出电压控制电流取样比较器的门限电平，而比较器又受高频三角波信号调制，从而产生受控脉宽调制PWM信号脉冲，加到MOSFET栅极。这样就能快速调节控制MOSFET主开关S的导通时间，使它及时跟随电网输入电压的变化，从而让PFC前置变换器的负载对于交流电网呈现电阻性。经各路反馈信号的控制，最终使流过电感L中的感性电流的峰值包络线总是紧密跟踪单向正弦波形的交流输入电压而变化，于是在电气设备开关电源的输入端，就可以得到一个与输入电压几乎完全同频同相的平滑正弦波电流，实现系统的高功率因数值。(4)整流电路有源功率因数校正主要有整流电路、升压变换器、控制电路三部分组成。图6-36是整流电路有源功率因数校正的原理图。由于整流电路、升压变换器在以前的实验项目中己经有详细的介绍，因此不再重复(可参考直流斩波电路的性能研究的相关内容)。控制电路采用德州仪器公司生产的功率因数控制芯片UCC3817N和外围元器件组成。芯片UCC3817N的管脚排列如图6-37,内部框图如图6-38。图6-36 整流电路有源功率因数校正原理图UCC3817N的管脚定义如下：GND：地PKLMT：峰值电流限制端CAOUT：电流运放输出端CAI：电流运放反相输入端MOUT：乘法器的输出端和电流运放的反相输入端IAC：与输入电压瞬时值成比例的电流输入端VAOUT：电压放大器输出端VFF：前馈电压端VREF：参考电压输出端OVP/EN：过压保护/使能端VSENSE：电压放大器反相输入端 图6-37 UCC3817N管脚排列图RT：外接振荡电阻端SS：软启动端CT：外接振荡电容端VCC：正电源端DROUT：栅极驱动端 图6-38UCC3817N的内部框图四、实验内容(1)无滤波电容的整流电路带纯阻性负载的测试。(2)有滤波电容的整流电路带纯阻性负载的测试。(3)整流电路有源功率因数校正的测试。(4)控制电路的波形测试，栅极控制信号观察。(5)整流电路有源功率因数校正电路的性能测试。五、思考题(1)整流电路有源功率因数校正电路的工作原理是什么？主要有几部分组成？(2)升压变换器的输出电压与输入电压的关系是什么？(3)当输入交流电压在一定范围内变化时，输出直流电压为什么保持不变？PWM信号又有何变化？六、实验方法(1)无滤波电容的整流电路带纯阻性负载的测试,实验连线如图6-39。在不通电源的情况下，按图6-39所示连接实验线路；将单相自耦调压器的输出调到最小，“调速电源选择电源开关”置于“直流调速”侧；打开总电源开关，调节输入电压，用双踪示波器同时观察输入电压和输入电流的波形并记录（以测试电阻RT的左端为参考地）；图6-39实验连线图调节输入电压，将测试数据填入下表Ui(V)80859095100105110P(W)UI(2)有滤波电容的整流电路带纯阻性负载的测试，实验连线如图6-40。图6-40实验连线图在不通电源的情况下，按图6-40所示连接实验线路，接线完毕后检查实验接线，尤其是电解电容的极性是否接反；将单相自耦调压器的输出调到最小，“调速电源选择电源开关”置于“直流调速”侧；打开总电源开关，调节输入电压，用双踪示波器同时观察输入电压和输入电流的波形并记录（以测试电阻RT的左端为参考地）；(3)整流电路有源功率因数校正的测试，整流电路之前的连线不变，整流电路之后的实验连线如图6-41。在不通电源的情况下，按图6-41所示连接实验线路，接线完毕后检查实验接线，尤其是电解电容的极性是否接反；将单相自耦调压器的输出调到最小，“调速电源选择电源开关”置于“直流调速”侧；图6-41实验连线图打开总电源开关，调节输入电压，用双踪示波器同时观察输入电压和输入电流的波形并记录（以测试电阻RT的左端为参考地）；(4)控制电路的波形测试。在上面的实验过程中，用双踪示波器观察“锯齿波”和“PWM波”并记录波形。用万用表测量控制电路的电源电压并记录之。(5)整流电路有源功率因数校正电路的性能测试。在上面的实验过程中，在电路允许的范围内，分别调节输入电压（输入电压为80V130V）和负载(最大负载100W，200V/0.5A)，观察相关的波形并设计表格记录数据。七、实验报告(1)按实验方法的要求，分别绘出电路各测试点波形和数据表格，并分析之。(2)总结整流电路有源功率因数校正电路的工作原理和结构。八、注意事项双踪示波器有两个探头，可同时观测两路信号，但这两探头的地线都与示波器的外壳相连，所以两个探头的地线不能同时接在同一电路的不同电位的两个点上，否则这两点会通过示波器外壳发生电气短路。为此，为了保证测量的顺利进行，可将其中一根探头的地线取下或外包绝缘，只使用其中一路的地线，这样从根本上解决了这个问题。当需要同时观察两个信号时，必须在被测电路上找到这两个信号的公共点，将探头的地线接于此处，探头各接至被测信号，只有这样才能在示波器上同时观察到两个信号，而不发生意外。91