相有源功率因数校正电路的设计与实现开题报告.doc

仪器科学与电气工程学院本科毕业论文（设计）开题报告题 目：单相有源功率因数校正电路的设计与实现学生姓名： 学 号： 专 业： 电 话：电气工程及其自动化指导教师： 2013年3月 5日开题报告评审意见论文题目：单相有源功率因数校正电路的设计与实现学生姓名： 学 号：专 业：电气工程及其自动化 指导教师： 指导教师对学生开题报告的评语：指导教师签字： 年 月 日评审组意见：组长签字： 年 月 日注：用16K纸打印或填写一、研究目的与意义常规开关电源功率因数低的根源是整流电路后面的滤波电容使输出电压平滑，但却使输入电流变为尖脉冲，产生一系列奇次谐波，对电网造成污染，可能会造成电子设备损坏。谐波电流的危害：1) 谐波电流的“二次效应”，即电流流过线路阻抗而造成的谐波压降反过来使电网电压(正弦波)波动，发生畸变。2) 谐波电流引起电路故障，损害设备。比如可以使线路和配电设备过热、引起电网LC谐振等。3) 谐波电流对自身及同一系统中的其他电子设备产生恶劣的影响，如引起电子设备误操作，引起通信噪声等。采用有源功率因数校正技术是解决上述问题的有效途径。图1 单相整流电路 图2 滤波电容引起的输入电流尖脉冲二、主要工作内容和预期达到的目标2.1了解功率因数定义功率因数的定义是指输入有功功率(P)和视在功率(S)的比值, 线性电路功率因数可cos用表示，为正弦电流与正弦电压的相位差。但是由于整流电路中二极管的非线性，导致输入电流为严重的非正弦波形，仅仅用用cos已不能表示整流电路的功率因数。在电力电子电路中，用PF表示功率因数。（I1基波电流有效值；In（n2）n次电流谐波有效值；Iin输入电流有效值；Vrms电网电压有效值；基波电压和基波电流的相移因数）/ = / 被称为电流的畸变因数，总谐波畸变（total harmonic distortionTHD）的定义是所有谐波分量的有效值与基波分有效值的比。THD= ，THD用来衡量电网的污染程度。由此可见功率因数是位移因数和畸变因数的乘积。欲提高电路的功率因数,，不仅要减小电压与电流的相位差，还必须最大限度地抑制输入电流的波形畸变,实现真正的正弦输入电流。如果在整流滤波后不加滤波电路,仅为阻性负载时,输入电流即为正弦波.并且与电源电压同相位,功率因数为1.因此,功率因数校正电路的基本思想就是将整流电路与滤波电容隔开,使整流电路由电容性负载变成电阻性负载。2.2熟悉有源功率因数校正原理有源功率因数校正电路（Active Power Factor Correction简称APFC）其实就是一个DC-DC变换器.它是利用脉冲波宽度调变(PWM)技术来调整输入功率的大小,以供应适当的负载所需的功率.脉冲波宽度调变器控制切换开关将直流输入电压变换成一串电压脉冲波,随后利用变压器和快速二极管将其转换成平滑的直流电压输出.这个输出电压随即与一个参考电压进行比较,所产生的电压差反馈至PWM控制器.这个误差电压信号用来改变脉冲波宽度的大小.如果输出电压过高,脉冲波电压会减小,进而使输出电压降低,使输出电压恢复至正常输出值.PFC电路就是利用这个方法,但是加入了一个电路,使的来自交流电源的电流是一个正弦波并与交流电压同相位.此时误差电压信号的调变是由整流后的交流电压和输出电压的变化来控制的,最后误差电压信号反馈至PWM控制器.也就是说,当交流电压高时,PFC电路就从交流电源吸取较多的功率;反之若交流电压较低,则吸收较少的功率,这样就可以抑制交流电流谐波的产生.图3 APFC的基本原理框图2.3 功率因数校正电路方法分类有源功率因数校正电路结构分为： 1) 降压式：因噪声大，滤波困难，功率开关管上电压应力大，控制驱动电平浮动，很少被采用。 2) 升/降压式：需用二个功率开关管，有一个功率开关管的驱动控制信号浮动，电路复杂，较少采用。 3) 反激式：输出与输入隔离，输出电压可以任意选择，采用简单电压型控制，适用于 150W 以下功率的应用场合。4) 升压式（boost）：简单电流型控制，PF 值高，总谐波失真（THD）小，效率高，但是输出电压高于输入电压。适用于 75W2000W 功率范围的应用场合，应用最为广泛。 由于本人设计的校正电路预期输出功率为200W以上，输出电压达到400V，故选择升压式boost拓扑。升压式拓扑具有以下优点： 1) 电路中的电感 L 适用于电流型控制。 2) 由于升压型 APFC 的预调整作用在输出电容器 C 上保持高电压，所以电容器 C 体积小、储能大。 3) 在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数。 4) 输入电流连续，并且在 APFC 开关瞬间输入电流小，易于 EMI 滤波。 5) 升压电感 L 能阻止快速的电压、电流瞬变，提高了电路工作可靠性。APFC输入电流控制方法的选择：1) 峰值电流控制型 这种方法的特点是输入电流的峰值包络线跟踪输入电压波形，可使输入电流和输入电压同相，并接近正弦。其工作原理是：在每个开关周期开始时，功率管VT导通，电感电流上升，当电感电流上升到峰值（由基准电流控制）时，比较器动作，输出信号使VT关断，电感电流下降，直到下一个开关周期VT再次导通。这种方法的开关频率是固定的。峰值电流控制方式的电流反馈信号既可以通过检测电感电流得到，也可通过检测VT上的电流得到。基准电流值由电压误差放大器的输出信号与整流电压Vdc的检测信号相乘得到的。图为峰值电流控制的电感电流波形。峰值电流控制有可能产生次谐波振荡，因此必须采取斜率补偿措施。2) 滞后电流控制型 这种方法利用滞环比较器，使电感电流围绕基准电流上下变动，变动的范围决定于滞环的宽度。与峰值方式不同的是这种方法的电流反馈信号必须来自对电感电流的检测，但是电流基准信号是用同样的方法得到的。通过这种方式使输入电流跟踪输入电压波形，可使输入电流和输入电压同相，并接近正弦。这种控制方法的缺点是：开关频率不固定，使输出滤波器的设计难以优化；滞环控制和峰值控制对噪声都很敏感。3) 平均电流控制型 这种控制方法采用的是电压外环、电流内环的双环控制。它用电流误差放大器替代峰值和滞环方法中的电流比较器，形成电流内环。同样以输出电压误差放大信号与整流电压的检测值的乘积为基准电流，和电流反馈加到电流误差放大器输入端，通过误差放大器调节输入电流平均值。使输入电流和电压同相，并接近正弦波形。输入电流与基准电流比较后，其高频分量被平均化处理，平均电流误差信号与锯齿波比较后形成控制开关VT通断的PWM信号。平均电流控制的特点：THD小；对噪声不敏感。既可工作于电流连续模式（CCM），也可工作于断续模式（DCM）。图4 峰值电流控制型 图5 滞后电流控制型图6 平均电流控制型2.3 功率因数校正电路的设计UC3854 是一种工作于平均电流的的升压型（boost）APFC 电路，它的峰值开关电流近似等于输入电流，是目前使用最广泛的 APFC 电路。具有以下特点：控制升压PWM的功率因数达到99%以上，线电流失真小于5%，输入电压可在90V270V之间变化，低信噪比，1A图腾柱式门极驱动电流。图7 UC3854 结构框图图8 使用UC3854实验APFC电路原理图2.4 实验测试方法1) 输出波形测试，使用示波器测试输出电压和电流波形情况，计算功率因数。2) 功率测试，使用万用表和示波器测试带载情况下的功率输出情况。2.5 预期达到的目标1.提交一块可用的功率因数校正电路板，指标为：a.功率因数95%；b.VIN=220V（AC），P200W；c.效率=80%-85%d.输出VO=400V（ DC）。2.提交一篇总结研究过程的毕业论文。三、前期准备工作情况1. 调研：了解国内外单相有源功率因数校正的技术方法。2. 查找资料：查找有关功率因数校正的论文，校正芯片的资料，开关电源设计的资料。3. 阅读文献1) Switching Power Supply Design(Third Edition) Abraham I.Pressman and Keith Billing2) 精通开关电源设计Sanjaya Maniktala3) PFC工作原理及PFC典型控制芯片工作机理及应用李桂臣4) High Power Factor Preregulatordatasheet.com5) 现代电力电子技术元器件识别、检测及应用徐远根，刘敏，乔恩4. 设计整体电路结构四、核心器件及经费预算核心器件器件型号价格（元）主要性能功率因数校正UC385450低噪声，驱动电流最高可达1A，内置乘法器 开关管APT502550漏极电压500V，漏极电流20A精密电阻0.25欧50阻值大小为0.25欧，作为取样电阻五、要求的实验条件及落实情况1. 实验室：130实验室2. 计算机一台3. 测试设备：万用表，示波器六、课题的难点及解决办法重难点在于boost升压电路电感的选择和制作，UC3854外围电路的设计以及整体电路板的调试，由于这是一个纯硬件电路，所以调试起来会比较困难，所以在进行焊接之前，必须充分阅读资料，了解电路的特性以及其中各个元器件的作用，才能更好地进行调试。七、时间安排2012.12-2013.1 收集资料，熟悉有源功率因数校正方法的原理和特点2013.3.5 2013.3.18 (1-2周)设计功率因数校正电路的整体框图，查阅各部分设计的不同方案；2013.3.192013.4.1（3-4周）分析，仿真计算，确定最终实现方案；2013.4.2 2013.4.22（57周）绘制原理图及制作PCB板；2013.4.232013.5.20（811周）电路焊接调试，改进及测试；2013.5.212013.6.15（1215周）撰写论文,准备答辩。八、 主要参考资料1 Switching Power Supply Design(Third Edition) Abraham I.Pressman and Keith Billing2 精通开关电源设计Sanjaya Maniktala3 PFC工作原理及PFC典型控制芯片工作机理及应用李桂臣4 High Power Factor Preregulatordatasheet.com5 现代电力电子技术元器件识别、检测及应用徐远根，刘敏，乔恩