高功率因數(shù)電源改進(jìn)版1課件

高功率因數(shù)電源

——PFCXX、XXX、XXX武漢紡織大學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室2011年7月㈠、題目設(shè)計(jì)要求

（詳細(xì)設(shè)計(jì)參考請(qǐng)參見(jiàn)18~38面）一、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一臺(tái)具有功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)(PFC)的整流電源，要求輸出直流電壓Uo為36V，最大負(fù)載電流為2A，負(fù)載為電阻性負(fù)載，其電路原理框圖如圖1所示。二、要求1、基本要求（1）當(dāng)電壓U2為(15～19)V，負(fù)載電流IO為(0.5～2)A時(shí)，要求輸出電壓UO穩(wěn)定在36V，其誤差的絕對(duì)值小于5%。（2）變壓器副邊電流I2的波形應(yīng)為正弦波，失真度小于5%。（3）電路功率因數(shù)大于0.95（在變壓器副邊測(cè)量）。（4）輸出電路具有過(guò)流保護(hù)功能(輸出電流Io達(dá)2.5A時(shí)自動(dòng)保護(hù))。2、發(fā)揮部分（1）設(shè)計(jì)制作檢測(cè)輸出電壓和輸出電流的測(cè)量電路，其測(cè)量誤差絕對(duì)值小于2%。（2）當(dāng)U2電壓為18V，負(fù)載電流為(0.5～2)A時(shí)，能對(duì)輸出電壓UO在(30～36)V范圍內(nèi)設(shè)定，其測(cè)量誤差的絕對(duì)值小于2%。（3）設(shè)計(jì)制作功率因數(shù)測(cè)量電路，其測(cè)量誤差的絕對(duì)值小于2%。（4）其他。三、說(shuō)明1、至少使用2片TI芯片，推薦采用TI公司PFC控制芯片UCC28019。2、功率因數(shù)說(shuō)明：在假設(shè)變壓器副邊電壓U2為標(biāo)準(zhǔn)正弦波條件下，功率因數(shù)的計(jì)算公式為：

式中：U2、I2分別為變壓器副邊的電壓、電流有效值，I21為I2中的基波分量,

1為U2和I21之間的相位差?？紤]到本題電路的特點(diǎn)，為計(jì)算簡(jiǎn)單，可以用U2、I2之間相位差

的余弦cos

作為功率因數(shù)。3、在隔離變壓器前用自耦變壓器調(diào)整輸入電壓，用滑線變阻器模擬負(fù)載。4、為測(cè)試方便，在制作電路時(shí)，留出U2、I2、UO、IO的測(cè)試點(diǎn)。5、調(diào)試時(shí)，要防止輸出端開(kāi)路或短路。6、設(shè)計(jì)報(bào)告正文中應(yīng)包括系統(tǒng)總體框圖、核心電路原理圖、主要流程圖、主要的測(cè)試結(jié)果。完整的電路原理圖、重要的源程序用附件給出。㈡、高功率因數(shù)電源產(chǎn)生的背景傳統(tǒng)的AC-DC變換由交流電網(wǎng)經(jīng)整流電路采用電容濾波獲得直流電壓，這種變換電路主要缺點(diǎn)有：（a）、輸入交流電壓是正弦波，但輸入的交流電流是脈沖電流，波形嚴(yán)重畸變，干擾電網(wǎng)電壓，產(chǎn)生向四周輻射和沿導(dǎo)線傳播的電磁干擾；（b）、為了得到可調(diào)的直流電壓，采用晶閘管可控整流電路，但脈動(dòng)很大，需要很大的濾波器才能得到平穩(wěn)的直流電壓。此外交流電流中含有大量的諧波電流，使電網(wǎng)中電流波形嚴(yán)重畸變，電源的輸入功率因數(shù)低，利用效率下降。㈣、方案選取無(wú)源功率因數(shù)校正電路一般最高只能達(dá)到0.9的功率因數(shù)，無(wú)法滿足題目基本部分0.95的功率因數(shù)的要求，故我們選擇有源PFC。有源PFC集成控制芯片有很多種，比如像UC3854、UC3855、UCC28019.由于UCC28019外圍電路簡(jiǎn)單，調(diào)試方便，方案已經(jīng)相當(dāng)成熟，故我們采用該方案。㈤、電路參數(shù)設(shè)計(jì)UCC28019控制電路原理圖Boost主電路原理圖1.主回路器件的選擇及參數(shù)計(jì)算：主電路采用Boost主電路結(jié)構(gòu)；交流220V輸入，經(jīng)過(guò)EMI濾波，隔離變壓器選擇250W、18V輸出的隔離變壓器；R1和R4電阻分壓檢測(cè)交流輸入電壓U2，Rs2取樣電阻檢測(cè)輸入電流I20，阻值取0.1歐，輸入電流接近7A；整流橋采用15A金屬封裝的整流橋；R2和R5電阻分壓檢測(cè)整流橋的輸出電壓；Rs3取樣電阻檢測(cè)電感中的流過(guò)的電流，阻值取0.04歐；R3和R6分壓檢測(cè)輸出電壓；RL1為電阻可變負(fù)載；Rs1取樣電阻檢測(cè)輸出電流，阻值取0.05歐。開(kāi)關(guān)管要求工作在65KHz，在系統(tǒng)中取IRFP460,最大反向電壓可到500V，最大電流20A，導(dǎo)通電阻小，開(kāi)關(guān)管上升時(shí)間為120ns.可滿足題目要求。D1二極管主要的功能是使系統(tǒng)快速啟動(dòng)，系統(tǒng)中采用FR307，快恢復(fù)二極管D2取1個(gè)MUR3060雙管并聯(lián)使用，需要加散熱裝置。

2.PFC控制電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算：PFC控制電路采用TI公司的專用PFC芯片UCC28019，作為整個(gè)校正系統(tǒng)的控制器。UCC28019為持續(xù)傳導(dǎo)模式的PFC控制器，鋸齒波振蕩頻率為65K，輸出方波最高占空比為97%，內(nèi)帶5V的電壓基準(zhǔn)，推挽式輸出的驅(qū)動(dòng)電壓可達(dá)12.5V，電流達(dá)1.5A。具有電源輸入軟啟動(dòng)保護(hù)，以及反饋電壓欠壓，過(guò)壓鎖存，和峰值電流限制，此外還設(shè)有電壓，電流反饋補(bǔ)償端。校正后的功率因數(shù)可達(dá)0.99以上，特別適用于BOOST升壓電路，輸入電壓范圍寬，輸出功率大。FPC控制的電路設(shè)計(jì)如下圖示：圖４PFC控制及主電路設(shè)計(jì)圖控制電路15V電壓供電，圖中R7和C7對(duì)輸入電壓值進(jìn)行濾波，R7采用221歐的電阻，C7取1000pF，Ｃ8是電流環(huán)的補(bǔ)償電容，取值1200pF，C6輸入電壓采樣后的濾波電容，取值0.68uF，C9，C10，R8為電壓環(huán)的補(bǔ)償環(huán)節(jié)，R8取值33.2K，C10取值3.3uF，C9取值0.22uF。整體電路具體參數(shù)如圖中所示㈥、有待改進(jìn)的方面：1、輸入交流電流波形毛刺很嚴(yán)重，如圖所示：2、輸出負(fù)載電流Io無(wú)法上到2A我們是使用上屆學(xué)長(zhǎng)訂做的由多股線繞制的500uH的電感，負(fù)載電流Io達(dá)到1.7A時(shí)，電感發(fā)聲就很嚴(yán)重，此時(shí)主電路工作不正常，輸入交流電壓、交流電流的失真很嚴(yán)重。如圖所示：這很有可能是電感電流上不去，電感的額定電流太小了。如果減小流過(guò)電感的電流，或是增大電感的額定電流值，問(wèn)題也許就得到解決。3、接線不規(guī)范使用杜邦線太多，造成系統(tǒng)不穩(wěn)定因素很多，同時(shí)也引入了大量的電磁干擾，在以后設(shè)計(jì)電路的時(shí)候，要有意識(shí)的去規(guī)劃好各模塊電路，盡量方便接線、減少接線，避免引入不必要的電磁干擾。4、理論知識(shí)不足這個(gè)也是目前存在的最嚴(yán)重的問(wèn)題，這個(gè)問(wèn)題在現(xiàn)在特別突出，這幾次做的題目，我們幾乎都是參考學(xué)長(zhǎng)給的電路圖，連電路的參數(shù)也是選擇的一樣的。但是如果說(shuō)讓我們把BUCK、BOOST、PFC控制的原理、思想方法講清楚，恐怕很難。這就存在一個(gè)理論空洞。我一直都有這樣一種觀點(diǎn)：芯片選取、實(shí)際采用的方法是會(huì)不斷改變或是升級(jí)的，但是有些設(shè)計(jì)的基本思想、基礎(chǔ)的理論、基本理念是不會(huì)改變的?；A(chǔ)扎實(shí)，才會(huì)不斷有所創(chuàng)新。以后做題，在加快進(jìn)度的同時(shí)，還要有意識(shí)的加強(qiáng)理論知識(shí)的培養(yǎng)，要知其然，也要知其所以然。㈦、心得體會(huì)：轉(zhuǎn)入做電源的題目后，思維方式與以前做儀器儀表時(shí)有很大的不同，電源的題目，主體電路一般就是固定的，我們只能一條道走到黑，但是它的參數(shù)（主要包括濾波電感L、輸出電容C，輸出反饋電阻網(wǎng)絡(luò)Rf）需要精心計(jì)算，每一步設(shè)計(jì)都要有理有據(jù)。特別是在調(diào)試電路的時(shí)候，思路一定要清晰，否則就很容易忽視一些最基本的問(wèn)題，而造成很嚴(yán)重的后果。（a）變壓器副邊的地與Boost主電路的地就不能共在一起。變壓器副邊的地為浮地，流經(jīng)其電流的方向是變化的，而B(niǎo)oost主電路的地，流經(jīng)其電流的方向是固定的。上面的這個(gè)電路，由于共地問(wèn)題，我們就不能用一個(gè)示波器既測(cè)輸入交流電壓（或交流電流）的波形，同時(shí)又測(cè)量輸出直流電壓（或者G極驅(qū)動(dòng)PWM）的波形。因?yàn)槭静ㄆ鲀陕吠ǖ赖牡卦趦?nèi)部已經(jīng)是連在一起的。而且在做測(cè)量電路的時(shí)候，如果不做任何處理，測(cè)電壓、電流電路與測(cè)功率因數(shù)角的電路需要兩個(gè)電源分別供電，數(shù)據(jù)處理需用兩個(gè)單片機(jī)，或者將測(cè)量功率因數(shù)角的電路經(jīng)光耦合隔離電路后再測(cè)量，這樣就只需一個(gè)單片機(jī)。還可以采用差分輸入運(yùn)放，這樣也可以解決浮地的問(wèn)題。（b）PI調(diào)節(jié)典型應(yīng)用電路：R1這個(gè)電阻在電路中是必不可少的。但是在我們應(yīng)用的時(shí)候，卻往往忽略了這一點(diǎn)。輸出電壓經(jīng)分壓電阻分壓后再經(jīng)電壓跟隨，我們想的是與前級(jí)電路隔離，但卻不知跟隨器的輸出電阻為零，PI調(diào)節(jié)缺少P這一項(xiàng)，導(dǎo)致輸出電壓一直上升，工作不正常，有可能超過(guò)輸出濾波電容的耐壓值。（c）加法器電路：這個(gè)電路能夠?qū)崿F(xiàn)Vfb=Vf+VDA嗎？比較這個(gè)電路與剛才的加法電路，它們有什么區(qū)別？從VDD的值和萬(wàn)用表的仿真數(shù)據(jù)，我們已經(jīng)得到答案！你看出來(lái)了嗎？（d）INA128低端采樣電流的問(wèn)題注意INA128一定是在低端采樣的。否則內(nèi)部過(guò)壓保護(hù)，輸出就不正常。這個(gè)在負(fù)載滑動(dòng)變阻器兩端接線的時(shí)候注意一下就可以了。當(dāng)時(shí)我們用INA128采得的交流輸入電壓的波形如圖：

我想可能就是因?yàn)镮NA128內(nèi)部過(guò)壓保護(hù)作用或是輸入共模電壓受限造成的。如果換成差分輸入運(yùn)放，也許可以采樣到正弦電壓波形。轉(zhuǎn)換后的直流輸出電壓經(jīng)一級(jí)低通濾波，可以減少尖峰電流，這樣使得測(cè)量值更接近儀表讀數(shù)。㈧、附錄：一、各測(cè)量與控制模塊原理圖1、（電壓、電流）相位測(cè)量電路1.1、（電壓、電流）相位測(cè)量電路（方案二）2、繼電器過(guò)流保護(hù)執(zhí)行電路3、過(guò)電流檢測(cè)與放大電路實(shí)際上這個(gè)電路還可以完成輸出直流