電網(wǎng)輸入實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)

1、現(xiàn)代電力電子技術(shù) 學(xué)院：自動(dòng)化信息工程學(xué)院 專業(yè)：電力電子與電力傳動(dòng) 學(xué)號(hào)： 姓名： 日期： 作業(yè)：輸入：?jiǎn)蜗?，工頻，220V，電網(wǎng)波動(dòng)5%；輸出：直流40V，1KW，負(fù)載變化范圍在100%20%，超載20%可運(yùn)行 10s，輸出電壓穩(wěn)定度3%，紋波系數(shù)不大于2%，電網(wǎng)輸入實(shí) 現(xiàn)高功率因數(shù)（PF0.95）；要求：設(shè)計(jì)主電路和控制電路以及控制策略；選用適當(dāng)?shù)姆抡孳浖M(jìn) 行仿真；提交：設(shè)計(jì)報(bào)告（設(shè)計(jì)方案確定、參數(shù)、電路及仿真）。電網(wǎng)輸入實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)第1章 緒論1.1設(shè)計(jì)背景 隨著電力電子裝置越來(lái)越多地使用，諧波大量產(chǎn)生，而傳統(tǒng)的交直流(AC/DC)變換電路由二極管或晶閘管構(gòu)成， 若電網(wǎng)中注入大量諧

2、波和無(wú)功，則會(huì)構(gòu)成電網(wǎng)污染傳統(tǒng)的變換電路因諧波超標(biāo)，已逐步被取代變換器的無(wú)源濾波技術(shù)，多采用LC等無(wú)源器件，體積大、功耗高采用有源功率因數(shù)校正(APFC)，能使AC/DC變換電路的網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)接近1，不會(huì)產(chǎn)生諧波電流鑒于此，擬以Boost電路為主電路，采用 APFC 技術(shù)設(shè)計(jì)單相AC/DC變換電路，以解決傳統(tǒng)交直流變換電路普遍存在的功率因數(shù)較低、易產(chǎn)生電網(wǎng)污染等問(wèn)題。1.2功率因數(shù)的相關(guān)定義 功率因數(shù)(PF)是用來(lái)衡量輸入電能質(zhì)量的參數(shù),其定義為:有功功率與視在功率的比值。即: （1-1）式中,為有功功率;為視在功率;代表基波因數(shù)(畸變因數(shù))。則稱為位移因數(shù)(基波功率因數(shù))。所以,由式(1-1

3、)可得,功率因數(shù)的大小與畸變因數(shù)和位移因數(shù)二者有關(guān),二者的乘積決定其性能。電壓總諧波畸變率可由下式?jīng)Q定,即:1.3功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展及分類 功率因數(shù)校正技術(shù)主要可區(qū)分為兩大類,即無(wú)源功率因數(shù)校正(PPFC)技術(shù)和有源功率因數(shù)校正(APFC),分類依據(jù)在于是否采用有源器件。1.3.1無(wú)源功率因數(shù)校正(PPFG)發(fā)展最初實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的手段是利用電感和電容構(gòu)造無(wú)源網(wǎng)絡(luò),憑借電感電容的續(xù)流、穩(wěn)壓作用,從而擴(kuò)大了整流橋的導(dǎo)通角,這項(xiàng)早期的研究,稱為無(wú)源PFC技術(shù)。典型的無(wú)源功率因數(shù)校正電路如下圖1-1所示。但無(wú)源PFC的工作性能不穩(wěn)定,極易受各類因素的影響,例如電網(wǎng)頻率、負(fù)載及輸入電壓跳變等等。

4、此外電路在工頻下工作時(shí),需要考慮濾波器體積和重量大等實(shí)際問(wèn)題,難以得到高的功率因數(shù),造成輸入諧波電流的抑制效果不是很理想,因而無(wú)源PFC較少使用在100W以上的開(kāi)關(guān)電源中。圖1-1 典型無(wú)源功率因數(shù)校正圖1.3.2有源功率因數(shù)校正(APFC)發(fā)展 20世紀(jì)70年代以后,開(kāi)關(guān)變換技術(shù)突飛猛進(jìn),為功率因數(shù)校正技術(shù)打下了快速發(fā)展的基礎(chǔ)。進(jìn)入80年代以后,現(xiàn)代有源功率因數(shù)的發(fā)展進(jìn)入了初級(jí)階段。隨著時(shí)間的推移,20世紀(jì)80年代中期,微電子技術(shù)的幅起,為PFC技術(shù)提供了發(fā)展的空間。之后基于專用IC的有源PFC技術(shù)幵始面向市場(chǎng)。 當(dāng)前比較常見(jiàn)的APFC技術(shù)是由DC/DC變換得到的一種電流整形方法。其電路原理

5、框圖如圖1-2。圖1-2典型有源功率因數(shù)校正電路圖 在當(dāng)代電力電子領(lǐng)域,功率因數(shù)校正技術(shù)有著不可或缺的地位。近年來(lái)各國(guó)專家學(xué)者對(duì)PFC的研究熱潮不減,目前國(guó)內(nèi)外對(duì)PFC技術(shù)的研究主要著眼于兩大板塊,即如何優(yōu)化電路工作性能和簡(jiǎn)化整體電路結(jié)構(gòu)。對(duì)于新的PFC電路拓?fù)涞难芯?如本文采用的無(wú)橋變換器),新型控制方式的探索及對(duì)PFC電路的EMI分析和抑制措施研究,都是專家學(xué)者探討的熱點(diǎn)話題。1.4本設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容 本設(shè)計(jì)研究了一種在CCM模式下的Boost PFC拓?fù)?簡(jiǎn)析了電路工作模態(tài),并指出了電路中存在的不足。進(jìn)而在該電路的基礎(chǔ)上加以改進(jìn),提出了Boost升壓變換器。工作內(nèi)容具體如下:.闡述背景,研

6、究目的和意義、PFC技術(shù)的發(fā)展概況以及目前國(guó)內(nèi)外的研究熱點(diǎn),繼而詳細(xì)整理功率因數(shù)校正技術(shù)的控制策略。.對(duì)比傳統(tǒng)Boost變換器效率低的缺點(diǎn),引入目前效率較高的Boost變換器,進(jìn)而引出了對(duì)改進(jìn)型Boost變換器的研究;.詳細(xì)分析了基本型Boost PFC拓?fù)涞墓ぷ髂B(tài)和電路特性,對(duì)比分析了改進(jìn)型PFC拓?fù)?并選用了基于平均電流控制IC進(jìn)行了電路設(shè)計(jì),給出了各元件參數(shù),并利用PSIM進(jìn)行系統(tǒng)仿真,驗(yàn)證數(shù)據(jù)的可靠性。第二章 功率因數(shù)校正主電路拓?fù)浼翱刂撇呗苑治?.1 PFC主電路拓?fù)?有源功率因數(shù)校正電路是由主電路及控制電路兩部分構(gòu)成。對(duì)于主電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選取,只要能夠滿足電流跟隨電壓的要求,理論

7、上任何一種變換器如Boost、Buck等基本電路拓?fù)涠伎梢宰鳛镻FC的主電常見(jiàn)的用于PFC的電路結(jié)構(gòu)有升壓型(Boost)、降壓型(Buck)、降升壓型(Buck-Boost)等。其中Buck與Boost是最基本的,其它結(jié)構(gòu)都是這兩種結(jié)構(gòu)的演變。(1)升壓式(Boost)電路:圖2-l所示的升壓(Boost)電路,該電路可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的升壓功能。目前APFC技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的。圖2-1 升壓(Boost)電路(2)降壓式(Buck)電路:Buck電路用于實(shí)現(xiàn)降壓功能,其拓?fù)淙缦聢D2-2所示。Buck電路特征是輸出電壓低于輸入電壓。由于整個(gè)電路噪聲較大,濾波也困難,所以目前己很少用于功率因數(shù)校

8、正電路。圖2-2 降壓式(Buck)電路2.2常見(jiàn)的APFC電路的控制策略分析 有源功率因數(shù)校正電路總體可分為主電路和控制電路兩大部分。原則上任一種DC/DC變換器拓?fù)涠伎捎米鱌FC的主電路,但由于Boost電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、效率高、穩(wěn)定性好,優(yōu)點(diǎn)比較突出,因而成為目前應(yīng)用最廣泛的PFC主電路。依據(jù)電感電流連續(xù)與否,有源PFC電路又可以分為不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)和連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM),下文將展開(kāi)介紹。2.2.1 DCM控制模式 DCM控制模式是PFC電路中簡(jiǎn)單而又實(shí)用的一種控制方法,DCM控制模式又被稱為電壓跟蹤法。最容易實(shí)現(xiàn)的DCM控制是采取恒頻固定占空比控制。2.2.2 CCM控制模式CC

9、M模式在中大規(guī)模電路中的應(yīng)用較為廣泛,可劃分為直接電流控制和間接電流控制兩類,劃分標(biāo)準(zhǔn)是是否取用電感電流作為電路的控制及反饋量。平均電流控制方法平均電流控制又稱三角載波控制,是目前PFC電路中應(yīng)用最廣的,也是最理想的一種控制方法。圖2-3為平均電流控制原理圖及該模式下輸入電流波形圖。平均電流控制電路中增加了一級(jí)PI電流控制環(huán)。工作過(guò)程如下:整流后的電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)檢測(cè)模塊后送入乘法器,電壓誤差放大器的輸出信號(hào)也送入乘法器,二者相乘,得到電流基準(zhǔn)信號(hào)電感電流經(jīng)采樣后與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較放大,再送入比較器與高頻三角波發(fā)生器輸出的鋸齒波信號(hào)進(jìn)行比較,最后輸出的PWM信號(hào)送入開(kāi)關(guān)管門(mén)級(jí),用來(lái)驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)關(guān)管開(kāi)

10、通與關(guān)斷。由圖2-3右側(cè)波形圖可以看出,平均電流控制將電感電流信號(hào)與高頻三角波信號(hào)疊加,當(dāng)疊加值高于基準(zhǔn)電流信號(hào)時(shí),控制開(kāi)關(guān)管關(guān)斷;反之,則開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通。常見(jiàn)的平均電流控制的IC有ML4821、UC3854等,本課題使用的就是UC3854來(lái)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正的目的。圖2-3 平均控制原理及輸入電流波形圖優(yōu)點(diǎn):開(kāi)關(guān)頻率固定,電流環(huán)增益帶寬較高,電感電流峰值/平均值誤 差小,易實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù),適用于大功率電路。缺點(diǎn):控制電路較為復(fù)雜,需要實(shí)用模擬乘法器,并且需要對(duì)電感電流 進(jìn)行采樣,成本較高。2.3傳統(tǒng)PFC電路的分析研究 Boost變換器因其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、變換效率高、控制策略易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),被廣泛用作

11、PFC電路。如圖2-4所示,該變換器包括電感電流和電容電壓兩個(gè)狀態(tài)變量,是一個(gè)二階系統(tǒng)。其工作原理如下:圖2-4 升壓（Boost）電路 在一個(gè)周期內(nèi),假設(shè)整個(gè)電路裝置工作在連續(xù)導(dǎo)通模式。在輸入電壓正半周階段,幵關(guān)管S受到觸發(fā)而導(dǎo)通,輸入電流經(jīng)過(guò)兩個(gè)二極管D1和D4、電感L、功率管S形成一個(gè)環(huán)路,電感的電流線性上升,此為電感電流的充電階段,而負(fù)載的能量則由輸出電容來(lái)提供;當(dāng)幵關(guān)管S被受控關(guān)斷時(shí),輸入電壓和電感電流同時(shí)向負(fù)載提供能量,電感電流下降,同時(shí)輸出電容被充電以維持負(fù)載能量傳遞的連續(xù)性。當(dāng)輸入電壓為負(fù)半周階段,由于電路結(jié)構(gòu)整流橋二極管的對(duì)稱性,D1對(duì)應(yīng)D2,D3對(duì)應(yīng)D4,因此電壓波形負(fù)半周

12、的工作原理與正半周階段類似。第三章 主要器件的選擇與參數(shù)計(jì)算本章對(duì)升壓PFC電路進(jìn)行了設(shè)計(jì),對(duì)電路中各元器件的參數(shù)及選型進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明。電路具體分為兩大模塊:主電路部分及控制電路部分。下面將分別對(duì)各模塊的設(shè)計(jì)進(jìn)行具體分析。系統(tǒng)首先進(jìn)行變壓器的降壓，在整流濾波之后再進(jìn)行Boost升壓,從而達(dá)到設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)主要參數(shù)及要求如下:(1)交流輸入電壓:220V，電網(wǎng)波動(dòng)5%；(2)輸出直流電壓:40V，負(fù)載變化范圍在100%20%;(3)輸出電壓穩(wěn)定度3%，紋波系數(shù)不大于2%，電網(wǎng)輸入實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)（PF0.95）;(4)額定輸出功率:1KW。3.1主電路模塊設(shè)計(jì)3.1.1整流橋的選擇 本文設(shè)計(jì)的變

13、壓器輸出交流電壓為22V，整流橋的電流最大可達(dá)60A，為了得到較好的直流量，選擇整流橋的耐壓為50V以上，正向電流100A3.1.2電感電流采樣電路 主電路的選擇會(huì)直接影響到控制電路簡(jiǎn)單與否以及EMI干擾等眾多問(wèn)題。所以本文的主電路結(jié)構(gòu)釆用圖3-1所示的電路。 在傳統(tǒng)Boost PFC電路中,檢測(cè)電感電流的釆樣電阻通常位于整流橋輸出共地端,但在省略了整流橋的Boost PFC電路拓?fù)渲?在一條完整回路上,電流信號(hào)無(wú)法保持極性一致,因而釆樣困難。為了解決該問(wèn)題,提出一種電流互感器檢測(cè)方法,可以還原電感電流信號(hào)。如圖3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)電流采樣3.1.3升壓電感的設(shè)計(jì) 功率因數(shù)校正電路的電路

14、性能與電感值有關(guān),輸入電流紋波的大小由升壓電感的取值決定。為了得到較小的紋波電流,必須使升壓電感足夠大。如果設(shè)計(jì)升壓電感電流紋波系數(shù)等于20%,滿載條件下,交流輸入電壓峰值達(dá)到最低時(shí),輸入峰值電流達(dá)到最大。升壓電感上最大的峰值電流為:，本文設(shè)計(jì)的變換電路輸入電流峰值為44.4 A假如容許20% 的電流脈動(dòng)，則有I=0.2×I2 =1.28A. 在升壓型轉(zhuǎn)換器中，最大紋波電流發(fā)生在占空比為50% 時(shí)，即升壓比M =V0/Vin= 2 時(shí)電感值是由半波整流最低輸出電壓時(shí)的電流峰值、占空比和開(kāi)關(guān)頻率決定的， 其關(guān)系式如下:I2 時(shí)的占空比 D =(VoVin)/Vo=(40-22)/40=

15、0.45,Vin=22V輸入電壓為最低，L=（Vin*D）/(fs*I)=22*0.45/(20000*1.28)=0.39mH.3.1.4輸出電容的選擇 （1）輸出電容的大小由輸出電壓的波動(dòng)程度決定在MOSFET管導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載的輸出電流靠輸出電容放電維持設(shè) MOSFET 管導(dǎo)通時(shí)的電壓變化為U，假設(shè)負(fù)載流過(guò)的電流在此期間恒定， 則電容電壓和負(fù)載電壓下降量U =，式中為占空比，T 為周期/s根據(jù)上式即可確定輸出電容的大小，U 與I 和均有關(guān)考慮到輸出電容是由容許的輸出最大紋波電壓來(lái)決定的，電容的容量應(yīng)滿足C 式中，Io為輸出電流的最大值（2）輸出濾波大電容C,用來(lái)濾除工頻整流之后的lOOHz電

16、網(wǎng)紋波,降低輸出電壓紋波大小。設(shè)計(jì)規(guī)定輸出電壓紋波允許范圍為 U=±3V,輸出電容C計(jì)算得:C>Pn/(2*3.14*2f*UU)=6mF參考實(shí)際過(guò)程中電容裕量,這里選取8mF的電解電容.3.1.5輸出電流電阻根據(jù)設(shè)計(jì)要求，輸出功率為1000W，40V的電壓，由，有，電流。3.1.6 升降壓二極管的選擇 采用肖特基二極管代替二極管，能降低開(kāi)關(guān)工作頻率， 減小開(kāi)關(guān)損耗，提高電源的效率考慮正向?qū)ǖ膲航导胺聪虻幕謴?fù)時(shí)間，本設(shè)計(jì)選用MU1660C 肖特基二極管3.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)仿真 計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,掌握應(yīng)用軟件對(duì)電路進(jìn)行建模、仿真技術(shù),對(duì)優(yōu)化電路設(shè)計(jì)有重要的指導(dǎo)意義。

17、本課題使用的仿真軟件平臺(tái)是PSIM。3.2.1 仿真設(shè)計(jì) 圖3-2是運(yùn)用Psim軟件對(duì)平均電流控制的Boost PFC變換電路進(jìn)行的仿真實(shí)驗(yàn)。在電路仿真模型中，主電路參數(shù)和控制電路參數(shù)選取如下： 網(wǎng)側(cè)輸入電壓220V; 輸出電容C：6mF; 升壓電感L:0.39mH; 工頻頻率f:50HZ; 開(kāi)關(guān)頻率100kHz; 額定輸出功率P:1kw; 輸出電壓U:40V。圖3-2為搭建的具體電路仿真模型。圖3-2 系統(tǒng)仿真電路圖3.2.2仿真波形圖3-3為電路模型仿真結(jié)果，圖顯示了PFC電路網(wǎng)側(cè)電壓波形。從圖中可以看到,電壓、電流同相位且是正弦波。圖3-4為輸出電壓波形,由圖可以看出,輸出電壓為22V。

18、圖3-5為變壓器的輸入輸出波形圖。圖3-3 網(wǎng)側(cè)電壓波形圖3-4 變壓器輸出電壓波形圖3-5 變壓器輸入輸出波形圖3-6 系統(tǒng)升壓負(fù)載端輸出電流圖3-7 系統(tǒng)輸出電壓波形圖3-8 系統(tǒng)輸出端電壓電流波形3.3 仿真分析及總結(jié)本章對(duì)升壓功率因數(shù)變換器硬件電路的具體參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計(jì),并選取了符合電路要求的主要元器件,進(jìn)而應(yīng)用軟件對(duì)電路進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的正確性。并進(jìn)行了相關(guān)的數(shù)據(jù)測(cè)試,實(shí)驗(yàn)結(jié)果得到驗(yàn)證。 本文在對(duì)功率因數(shù)校正技術(shù)綜合分析的基礎(chǔ)上,主要研究了在CCM模式下的升壓PFC電路。相比于傳統(tǒng)PFC電路,由于升壓PFC主電路電流回路中所含通態(tài)元件比較少,因而導(dǎo)通損耗低,電路效率較高。并且設(shè)計(jì)了基于平均電流控制的改進(jìn)型無(wú)橋升壓PFC變換器,實(shí)驗(yàn)輸出電壓穩(wěn)定保持在40V,電路效率較高,PF達(dá)到97.5%，滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明無(wú)橋結(jié)構(gòu)高功率因數(shù)的效果。參考文獻(xiàn)：1林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)M.機(jī)械工業(yè)出版社,20022一種有源功率校正的單相交直流變換電路設(shè)計(jì)(吳必瑞,謝善娟,鄭乃清) (寧德師范學(xué)