CCM-BOOST功率因數(shù)校正課設(shè)正文

1、武漢理工大學電力電子裝置及系統(tǒng)課程設(shè)計說明書摘要11設(shè)計任務及要求21.1初始條件21.2要求完成的主要任務22功率校正的意義22.1 功率校正的原因22.2 ACDC變換器輸入電流的諧波分析及危害33功率因數(shù)校正原理43.1功率因數(shù)（PF）的定義43.2 PF與功率因數(shù)的關(guān)系53.3有源功率因數(shù)校正方法分類54有源功率因數(shù)校正的實現(xiàn)74.1 UC3854控制集成電路74.1.2 UC3854中的前饋作用94.2 UC3854的典型應用電路114.3 功率因數(shù)校正原理圖124.4 主電路設(shè)計124.4.1 升壓電感設(shè)計124.4.2 輸出電容134.4.3 選擇功率管MOSFET及續(xù)流二極管1

2、35 基于UC3854的MATLAB仿真145.1 仿真模型連接145.2仿真結(jié)果156 小結(jié)與體會16參考文獻17摘要本文設(shè)計了一種高功率因數(shù)、低電磁干擾的單級CCM-BOOST功率因數(shù)校正電路。首先對有源功率因數(shù)校正電路進行了詳細的分析。基于對有源功率因數(shù)校正電路的雙級式和單級式結(jié)構(gòu)的特點比較，本文采用了單級式的電路結(jié)構(gòu)。選擇Boost電路為有源功率因數(shù)校正電路的主電路，給出了Boost電路的組成并分析了它的工作過程。在此基礎(chǔ)上本文采用連續(xù)導電工作模式(CCM)和平均電流控制策略，并應用UC3854作為有源功率因數(shù)校正電路的控制芯片。對UC3854芯片的工作原理及各引腳功能作了介紹，對相應

3、的控制部分的控制輸入、乘法器、電壓環(huán)和電流環(huán)部分進行了詳細的分析。在上述對有源功率因數(shù)校正電路做了優(yōu)化基礎(chǔ)上，在輸入電壓為市電220V/50 Hz條件下，對有源功率因數(shù)校正電路進行優(yōu)化，輸出400V直流電，并應用MATLAB軟件進行了仿真計算。仿真結(jié)果與理論設(shè)計比較，兩者相當一致,表明了本文所做的工作的正確性。關(guān)鍵詞：CCM-BOOST 功率校正 UC3854 MATLAB仿真CCM-BOOST功率因數(shù)校正電路仿真1設(shè)計任務及要求1.1初始條件輸入交流電源：單相220V，頻率50Hz。1.2要求完成的主要任務1、基于CCM-BOOST方式實現(xiàn)功率因數(shù)校正，輸入功率因數(shù)達到0.99。2、輸出直流

4、電壓：400V，輸出功率250W。3、建立功率因數(shù)校正電路Matlab仿真模型或者saber模型。4、進行仿真，得到交流側(cè)輸入電壓電流波形。2功率校正的意義2.1 功率校正的原因電力電子裝置的大量應用給電力系統(tǒng)注入了越來越多的諧波，使系統(tǒng)的功率因數(shù)降低，造成電網(wǎng)供電質(zhì)量下降，干擾周圍電氣設(shè)備正常運行，這一問題已引起人們極大的重視。如何抑制這些諧波，改善供電質(zhì)量己成為一個重要的研究課題。在電力電子裝置中，開關(guān)功率變換器的功率因數(shù)校正及控制就是該領(lǐng)域的一個重要方面。目前，這一重要課題研究中，常用的是基于Boost電路的功率因數(shù)校正(Power Factor Correction)技術(shù)，本次課設(shè)設(shè)計

5、了有源功率因數(shù)校正電路。本章以ACDC變換器為例，分析了普二極管整流電路產(chǎn)生諧波電流的原因及諧波電流的危害，引出了非正弦電路中諧波和功率因數(shù)的關(guān)系，介紹了抑制諧波和提高功率因數(shù)的途徑，得出了本文提高ACDC變換器輸入端功率因數(shù)的策略及有源功率因數(shù)校正技術(shù)。2.2 ACDC變換器輸入電流的諧波分析及危害傳統(tǒng)的AC/DC電能變換器和開關(guān)電源，其輸入電路普遍采用了圖1.1所示的全橋二極管不控整流方式。雖然不控整流器電路簡單可靠，但它們會從電網(wǎng)中吸取高峰值電流，使輸入端電流和交流電壓均發(fā)生畸變。大量電氣設(shè)備自身的穩(wěn)壓電源，其前置級電路實際上是一個峰值檢波器，高壓電容濾波器上的充電電壓使整流器的導通角減

6、小3倍，電流脈沖變成了非正弦的窄脈沖，因而，如圖1.2所示，在電網(wǎng)輸入端產(chǎn)生了失真很大、時間很短、峰值很高的周期性尖峰電流。輸入電流中諧波的主要危害有：1)使電容器的正常阻抗減小，造成電容器的負荷增大，甚至被燒毀。2)使電子設(shè)備正常工作受到影響、對通訊設(shè)備產(chǎn)生信號干擾、繼電保護裝置發(fā)生誤動作。3)諧波倒流入電網(wǎng)，引起嚴重的諧波“污染”及母線上的電壓畸變，干擾其它設(shè)備的正常運行。4)諧波電流通過電機、變壓器，將增大鐵損，使電機、變壓器鐵芯過熱，還會產(chǎn)生附加諧波轉(zhuǎn)矩、機械振動等。這些都嚴重影響電機的正常運行，縮短了它的使用壽命。另外，嚴重的電流畸變使輸入電流有效值變大，電流的集膚效應增強，導致了電

7、網(wǎng)中產(chǎn)生附加損耗。3功率因數(shù)校正原理 3.1功率因數(shù)（PF）的定義功率因數(shù)是電力系統(tǒng)的一個重要的技術(shù)數(shù)據(jù)。功率因數(shù)是衡量電氣設(shè)備效率高低的一個系數(shù)。功率因數(shù)低，說明電路用于交變磁場轉(zhuǎn)換的無功功率大， 增加了線路供電損失，因此供電部門對用電單位的功率因數(shù)有一定的標準要求。 在交流電路中，電壓與電流之間的相位差()的余弦叫做功率因數(shù)，用符號cos表示，在數(shù)值上，功率因數(shù)（PF）是有功功率（P）和視在功率（S）的比值，即式中cos功率因數(shù)；   P有功功率，kW；    S視在功率，kV.A； U用電設(shè)備的額定電壓，V；

8、 I用電設(shè)備的運行電流有效值，A；用電設(shè)備電流基波電流，A；輸入電流波形畸變因數(shù)。所以功率因數(shù)可以定義為輸入波形畸變因數(shù)（）與相移因數(shù)（）的乘積，可見功率因數(shù)（PF）由電流失真系數(shù)（）和基波電壓、基波電流相移因數(shù)（）決定。由于常規(guī)整流裝置常使用非線性器件（如可控硅、二極管），整流器件的導通角小于180o，從而產(chǎn)生大量諧波電流成份，而諧波電流成份不做功，只有基波電流成份做功。所以相移因數(shù)（）和波形畸變因數(shù)（）相比，輸入波形畸變因數(shù)（）對供電線路功率因數(shù)（PF）的影響更大。 3.2 PF與功率因數(shù)的關(guān)系 3.3有源功率因數(shù)校正方法分類1 按電路結(jié)構(gòu)分 （1）降壓式：因噪聲大，濾波困難，功

9、率開關(guān)管上電壓應力大，控制驅(qū)動電平浮動，很少被采用。 （2）升/降壓式：需用二個功率開關(guān)管，有一個功率開關(guān)管的驅(qū)動控制信號浮動，電路復雜，較少采用。 （3）反激式：輸出與輸入隔離，輸出電壓可以任意選擇，采用簡單電壓型控制，適用于150W以下功率的應用場合。 （4）升壓式（boost）：簡單電流型控制，PF值高，諧波失真小，效率高，但是輸出電壓高于輸入電壓，應用最為廣泛。它具有以下優(yōu)點： （1）電路中的電感L適用于電流型控制。 （2）由于升壓型APFC的預調(diào)整作用在輸出電容器C上保持高電壓，所以電容器C體積小、儲能大。 （3）在整個交流輸入電壓變化范圍內(nèi)能保持很高的功率因數(shù)。 （4）輸入電流連續(xù)

10、，并且在APFC開關(guān)瞬間輸入電流小，易于EMI濾波。 （5）升壓電感L能阻止快速的電壓、電流瞬變，提高了電路工作可靠性。2按輸入電流的控制原理分 平均電流型：工作頻率固定，輸入電流連續(xù)（CCM），波形如圖1（a）所示。這種控制方式的優(yōu)點是： （1）恒頻控制。 （2）工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)，開關(guān)管電流有效值小、EMI濾波器體積小。 （3）能抑制開關(guān)噪聲。 （4）輸入電流波形失真小。主要缺點是： （1）控制電路復雜。 （2）需用乘法器和除法器。 （3）需檢測電感電流。 （4）需電流控制環(huán)路。 滯后電流型：工作頻率可變，電流達到滯后帶內(nèi)發(fā)生功率開關(guān)通與斷操作，使輸入電流上升、下降。電流波形平均值取決

11、于電感輸入電流，波形圖如圖1（b）所示。 峰值電流型：工作頻率變化，電流不連續(xù)（DCM），工作波形圖如圖1（c）所示。 DCM采用跟隨器方法具有電路簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點，但存在以下缺點： （1）功率因數(shù)和輸入電壓Vin與輸出電壓VO的比值有關(guān)。即當Vin變化時，功率因數(shù)PF值也將發(fā)生變化，同時輸入電流波形隨的加大而THD變大。 （2）開關(guān)管的峰值電流大（在相同容量情況下，DCM中通過開關(guān)器件的峰值電流為 CCM的兩倍），從而導致開關(guān)管損耗增加。所以在大功率APFC電路中，常采用CCM方式。 電壓控制型。工作頻率固定，電流不連續(xù)，工作波形圖如圖1（d）所示。 圖1 輸入電流波形圖4有源功率因數(shù)校

12、正的實現(xiàn) 下面以常見的美國TI公司生產(chǎn)的APFC用集成電路UC3854介紹其性能特點、工作原理與典型應用電路。4.1 UC3854控制集成電路 4.1.1 UC3854引腳功能UC3854 引腳功能如表3-1所示。 表3-1 UC3854的引腳功能 引腳號 引腳符號 引腳功能(1)GND接地端，器件內(nèi)部電壓均以此端電壓為基準(2) PKLMT峰值限定端，其閾值電壓為零伏與芯片外檢測電阻負端相連，可與芯片內(nèi)接基準電壓的電阻相連，使峰值電流比較器反向端電位補償至零(3) CA out電流誤差放大器輸出端，對輸入總線電流進行檢測，并向脈沖寬度調(diào)制器發(fā)出電流校正信號的寬帶運放輸出(4)Isense電流

13、檢測信號接至電流放大器反向輸入端，(4)引腳電壓應高于-0.5V（因采用二極管對地保護）(5)Mult out乘法放大器的輸出和電流誤差放大器的同相輸入端(6)IAC乘法器的前饋交流輸入端，與B端相連，(6)引腳的設(shè)定電壓為6V，通過外接電阻與整 (7)VA out誤差電壓放大器的輸出電壓，這個信號又與乘法器A端相連，但若低于1V乘法器便無輸出(8)VRMS前饋總線有效值電壓端，與跟輸入線電壓有效值成正比的電阻相連時，可對線電壓的變化進行補償(9)VREF基準電壓輸出端，可對外圍電路提供10mA的驅(qū)動電流(10)ENA允許比較器輸入端，不用時與+5V電壓相連(11)V檢測電壓誤差放大器反相輸入

14、端，在芯片外與反饋網(wǎng)絡相連，或通過分壓網(wǎng)絡與功率因數(shù)校正器輸出端相連(12)Rset(12)端信號與地接入不同的電阻，用來調(diào)節(jié)振蕩器的輸出和乘法器的最大輸出(13)SS軟啟動端，與誤差放大器同相端相連(14)CT接對地電容器CT，作為振蕩器的定時電容(15)Vcc正電源閾值為10V16V(16)GTDRVPWM信號的圖騰輸出端，外接MOSFET管的柵極，該電壓被鉗位在15V4.1.2 UC3854中的前饋作用 UC3854的電路框圖和內(nèi)部工作框圖如圖2、圖3所示。 在APFC電路中，整流橋后面的濾波電容器移到了整個電路的輸出端（見圖2、圖4中的電解電容C），這是因為Vin應保持半正弦的波形，而

15、Vout需要保持穩(wěn)定。 從圖3所示的UC3854工作框圖中可以看到，它有一個乘法器和除法器，它的輸出為，而C為前饋電壓VS的平方，之所以要除C是為了保證在高功率因數(shù)的條件下，使APFC的輸入功率Pi不隨輸入電壓Vin的變化而變化。 工作原理分析、推導如下： 乘法器的輸出為 式中：Km表示乘法器的增益因子。 Kin表示輸入脈動電壓縮小的比例因子。 電流控制環(huán)按照Vin和電流檢測電阻Ro（參見圖2）建立了Iin。 Ki表示Vin的衰減倍數(shù) 將式（3）代入式（4）后有 如果PF=1 效率=1有 由（6）可知：當Ve固定時，Pi、Po將隨V2in的變化而變化。而如果利用除法器，將Vin除以一個 可見在

16、保證提高功率因數(shù)的前提下，Ve恒定情況下，Pi、Po不隨Vin的變化而變化。即通過輸入電壓前饋技術(shù)和乘法器、除法器后，可以使控制電路的環(huán)路增益不受輸入電壓Vin變化的影響，容易實現(xiàn)全輸入電壓范圍內(nèi)的正常工作，并可使整個電路具有良好的動態(tài)響應和負載調(diào)整特性。 在實際應用中需要加以注意：前饋電壓中任何100 Hz紋波進入乘法器都會和電壓誤差放大器中的紋波疊加在一起，不但會增加波形失真，而且還會影響功率因數(shù)的提高。 前饋電路中前饋電容Cf（圖2、圖4中的Cf）的取值大小也會影響功率因數(shù)。如果Cf太小，則功率因數(shù)會降低，而Cf過大，前饋延遲又較大。當電網(wǎng)電壓變化劇烈時，會造成輸出電壓的過沖或欠沖，所以

17、Cf 的取值應折中考慮。 4.2 UC3854的典型應用電路原理圖如圖4所示。 圖4 UC3854的典型應用電路4.3 功率因數(shù)校正原理圖基于CCM-BOOST功率因數(shù)校正電路設(shè)計包括主電路設(shè)計和控制電路的設(shè)計。主電路主要包括工頻整流橋、輸入電感、開關(guān)管、續(xù)流二極管、輸出濾波電容等?？刂齐娐分饕荘WM電流控制芯片UC3854集成電路。功率因數(shù)校正原理圖如圖5所示：圖5 功率因數(shù)校正原理圖4.4 主電路設(shè)計4.4.1 升壓電感設(shè)計 電感將決定在輸入側(cè)高頻紋波電流的大小，且它的值與紋波電流的大小有關(guān)。電感值由輸入側(cè)的交流電流峰值來決定。由于最大的峰值電流出現(xiàn)在線電壓為最小值,負載最大時,所以有：

18、 最大峰值線路電流(時)為：，其中為輸入電壓最小值，取180V。紋波電流I按下式計算，峰-峰值紋波電流通常選擇在最大峰值電流的20%左右即有：低電網(wǎng)線路電壓時經(jīng)整流的峰值電壓,則在時的占空因數(shù)則升壓電感器的電感 開關(guān)頻率，故取4.4.2 輸出電容輸出電容器電容的典型值一般按每瓦l2確定。記為維持時間（秒），是最小輸出電容器電壓，則 =68ms,取4.4.3 選擇功率管MOSFET及續(xù)流二極管對于MOSFET，為了使管子有較寬的工作區(qū)，將按照電路可能工作的最嚴重情況選擇額定參數(shù)。輸入電壓為，功率管額定電流通?？紤]兩倍裕量，故管子的額定電流值取為1.5 A。對于續(xù)流二極管，二極管額定電流同樣考慮兩倍的額定裕量，則取二極管的額定電流值為3.3A。根據(jù)上述額定電壓，額定電流要求，可選擇相應功率開關(guān)管APT10026L2LL型MOSFET管，其額定指標為38A/1000V和二極管。5 基于UC3854的MATLAB仿真5.1 仿真模型連接MATLAB仿真模型如圖6所示：圖6 MATLAB仿真模型5.2仿真結(jié)果交流側(cè)輸入電流波形如圖7所示：圖7 輸入電流波形圖8 輸入電壓波形6 小結(jié)與體會本次課設(shè)是設(shè)計CCM-BOOST功率因數(shù)校正電路，電力電子裝置的大量應用給電力系統(tǒng)注入了越來越多的諧波，使系統(tǒng)的