單相有源功率因數(shù)校正電路的設計與實現(xiàn)開題報告

1、<p>　　儀器科學與電氣工程學院</p><p>　　本科畢業(yè)論文（設計）開題報告</p><p>　　題 目：單相有源功率因數(shù)校正電路的設計與實現(xiàn)</p><p>　　學生姓名： 學 號：</p><p>　　專 業(yè)： 電 話：</p><p

2、><b>　　電氣工程及其自動化</b></p><p><b>　　指導教師： </b></p><p>　　2013年3月 5日</p><p><b>　　開題報告評審意見</b></p><p>　　注：用16K紙打印或填寫</p><p&g

3、t;<b>　　一、研究目的與意義</b></p><p>　　常規(guī)開關電源功率因數(shù)低的根源是整流電路后面的濾波電容使輸出電壓平滑，但卻使輸入電流變?yōu)榧饷}沖，產(chǎn)生一系列奇次諧波，對電網(wǎng)造成污染，可能會造成電子設備損壞。諧波電流的危害：</p><p>　　諧波電流的“二次效應”，即電流流過線路阻抗而造成的諧波壓降反過來使電網(wǎng)電壓(正弦波)波動，發(fā)生畸變。</p&

4、gt;<p>　　諧波電流引起電路故障，損害設備。比如可以使線路和配電設備過熱、引起電網(wǎng)LC諧振等。</p><p>　　諧波電流對自身及同一系統(tǒng)中的其他電子設備產(chǎn)生惡劣的影響，如引起電子設備誤操作，引起通信噪聲等。</p><p>　　采用有源功率因數(shù)校正技術是解決上述問題的有效途徑。</p><p>　　圖1 單相整流電路

5、 圖2 濾波電容引起的輸入電流尖脈沖</p><p>　　二、主要工作內(nèi)容和預期達到的目標</p><p>　　2.1了解功率因數(shù)定義</p><p>　　功率因數(shù)的定義是指輸入有功功率(P)和視在功率(S)的比值, 線性電路功率因數(shù)可,cos-𝜑.用表示，𝜑為正弦電流與正弦電壓的相位差。但是由于整流電路中二極管的非線性，導致輸入電

6、流為嚴重的非正弦波形，僅僅用用cos-𝜑已不能表示整流電路的功率因數(shù)。在電力電子電路中，用PF表示功率因數(shù)。</p><p>　?。↖1——基波電流有效值；In（n≥2）——n次電流諧波有效值；Iin——輸入電流有效值；Vrms——電網(wǎng)電壓有效值；——基波電壓和基波電流的相移因數(shù)）</p><p>　　/ = / 被稱為電流的畸變因數(shù)，總諧波畸變（total harmoni

7、c distortion—THD）的定義是所有諧波分量的有效值與基波分有效值的比。</p><p>　　THD= ，THD用來衡量電網(wǎng)的污染程度。由此可見功率因數(shù)是位移因數(shù)和畸變因數(shù)的乘積。欲提高電路的功率因數(shù),，不僅要減小電壓與電流的相位差，還必須最大限度地抑制輸入電流的波形畸變,實現(xiàn)真正的正弦輸入電流。</p><p>　　如果在整流濾波后不加濾波電路,僅為阻性負載時,輸入電流即為正弦

8、波.并且與電源電壓同相位,功率因數(shù)為1.因此,功率因數(shù)校正電路的基本思想就是將整流電路與濾波電容隔開,使整流電路由電容性負載變成電阻性負載。</p><p>　　2.2熟悉有源功率因數(shù)校正原理</p><p>　　有源功率因數(shù)校正電路（Active Power Factor Correction簡稱APFC）其實就是一個DC-DC變換器.它是利用脈沖波寬度調(diào)變(PWM)技術來調(diào)整輸入功率的

9、大小,以供應適當?shù)呢撦d所需的功率.脈沖波寬度調(diào)變器控制切換開關將直流輸入電壓變換成一串電壓脈沖波,隨后利用變壓器和快速二極管將其轉(zhuǎn)換成平滑的直流電壓輸出.這個輸出電壓隨即與一個參考電壓進行比較,所產(chǎn)生的電壓差反饋至PWM控制器.這個誤差電壓信號用來改變脈沖波寬度的大小.如果輸出電壓過高,脈沖波電壓會減小,進而使輸出電壓降低,使輸出電壓恢復至正常輸出值.</p><p>　　PFC電路就是利用這個方法,但是加入了一

10、個電路,使的來自交流電源的電流是一個正弦波并與交流電壓同相位.此時誤差電壓信號的調(diào)變是由整流后的交流電壓和輸出電壓的變化來控制的,最后誤差電壓信號反饋至PWM控制器.也就是說,當交流電壓高時,PFC電路就從交流電源吸取較多的功率;反之若交流電壓較低,則吸收較少的功率,這樣就可以抑制交流電流諧波的產(chǎn)生.</p><p>　　圖3 APFC的基本原理框圖</p><p>　　2.3 功率因數(shù)校

11、正電路方法分類</p><p>　　有源功率因數(shù)校正電路結構分為： </p><p>　　降壓式：因噪聲大，濾波困難，功率開關管上電壓應力大，控制驅(qū)動電平浮動，很少被采用。 </p><p>　　升/降壓式：需用二個功率開關管，有一個功率開關管的驅(qū)動控制信號浮動，電路復雜，較少采用。 </p><p>　　反激式：輸出與輸入隔離，輸出電壓

12、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。</p><p>　　升壓式（boost）：簡單電流型控制，PF 值高，總諧波失真（THD）小，效率高，但是輸出電壓高于輸入電壓。適用于 75W~2000W 功率范圍的應用場合，應用最為廣泛。</p><p>　　由于本人設計的校正電路預期輸出功率為200W以上，輸出電壓達到400V，故選擇升壓式boost拓撲。<

13、;/p><p>　　升壓式拓撲具有以下優(yōu)點： </p><p>　　電路中的電感 L 適用于電流型控制。 </p><p>　　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。 </p><p>　　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)。 </p><p&g

14、t;　　輸入電流連續(xù)，并且在 APFC 開關瞬間輸入電流小，易于 EMI 濾波。 </p><p>　　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。</p><p>　　APFC輸入電流控制方法的選擇：</p><p>　　峰值電流控制型 這種方法的特點是輸入電流的峰值包絡線跟蹤輸入電壓波形，可使輸入電流和輸入電壓同相，并接近正弦。其工作原理是

15、：在每個開關周期開始時，功率管VT導通，電感電流上升，當電感電流上升到峰值（由基準電流控制）時，比較器動作，輸出信號使VT關斷，電感電流下降，直到下一個開關周期VT再次導通。這種方法的開關頻率是固定的。峰值電流控制方式的電流反饋信號既可以通過檢測電感電流得到，也可通過檢測VT上的電流得到?；鶞孰娏髦涤呻妷赫`差放大器的輸出信號與整流電壓Vdc的檢測信號相乘得到的。圖為峰值電流控制的電感電流波形。峰值電流控制有可能產(chǎn)生次諧波振蕩，因此必須采

16、取斜率補償措施。</p><p>　　滯后電流控制型 這種方法利用滯環(huán)比較器，使電感電流圍繞基準電流上下變動，變動的范圍決定于滯環(huán)的寬度。與峰值方式不同的是這種方法的電流反饋信號必須來自對電感電流的檢測，但是電流基準信號是用同樣的方法得到的。通過這種方式使輸入電流跟蹤輸入電壓波形，可使輸入電流和輸入電壓同相，并接近正弦。這種控制方法的缺點是：開關頻率不固定，使輸出濾波器的設計難以優(yōu)化；滯環(huán)控制和峰值控制對噪聲都很

17、敏感。</p><p>　　平均電流控制型 這種控制方法采用的是電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制。它用電流誤差放大器替代峰值和滯環(huán)方法中的電流比較器，形成電流內(nèi)環(huán)。同樣以輸出電壓誤差放大信號與整流電壓的檢測值的乘積為基準電流，和電流反饋加到電流誤差放大器輸入端，通過誤差放大器調(diào)節(jié)輸入電流平均值。使輸入電流和電壓同相，并接近正弦波形。輸入電流與基準電流比較后，其高頻分量被平均化處理，平均電流誤差信號與鋸齒波比較后形成控

18、制開關VT通斷的PWM信號。平均電流控制的特點：THD小；對噪聲不敏感。既可工作于電流連續(xù)模式（CCM），也可工作于斷續(xù)模式（DCM）。</p><p>　　圖4 峰值電流控制型 圖5 滯后電流控制型</p><p>　　圖6 平均電流控制型</p><p>　　2.3 功率因數(shù)校正電路的設計</p><

19、p>　　UC3854 是一種工作于平均電流的的升壓型（boost）APFC 電路，它的峰值開關電流近似等于輸入電流，是目前使用最廣泛的 APFC 電路。具有以下特點：控制升壓PWM的功率因數(shù)達到99%以上，線電流失真小于5%，輸入電壓可在90V~270V之間變化，低信噪比，1A圖騰柱式門極驅(qū)動電流。</p><p>　　圖7 UC3854 結構框圖</p><p>　　圖8 使用UC

20、3854實驗APFC電路原理圖</p><p>　　2.4 實驗測試方法</p><p>　　輸出波形測試，使用示波器測試輸出電壓和電流波形情況，計算功率因數(shù)。</p><p>　　功率測試，使用萬用表和示波器測試帶載情況下的功率輸出情況。</p><p>　　2.5 預期達到的目標</p><p>　　1.提交一塊可

21、用的功率因數(shù)校正電路板，指標為：</p><p>　　a.功率因數(shù)≥95%；b.VIN=220V（AC），P≥200W；c.效率?=80%-85%</p><p>　　d.輸出VO=400V（ DC）。</p><p>　　2.提交一篇總結研究過程的畢業(yè)論文。</p><p>　　三、前期準備工作情況</p><p>

22、　　調(diào)研：了解國內(nèi)外單相有源功率因數(shù)校正的技術方法。</p><p>　　查找資料：查找有關功率因數(shù)校正的論文，校正芯片的資料，開關電源設計的資料。</p><p><b>　　閱讀文獻</b></p><p>　　《Switching Power Supply Design(Third Edition)》 Abraham I.Pressm

23、an and Keith Billing</p><p>　　《精通開關電源設計》Sanjaya Maniktala</p><p>　　《PFC工作原理及PFC典型控制芯片工作機理及應用》李桂臣</p><p>　　《High Power Factor Preregulator》datasheet.com</p><p>　　《現(xiàn)代電力電子

24、技術元器件識別、檢測及應用》徐遠根，劉敏，喬恩</p><p><b>　　設計整體電路結構</b></p><p>　　四、核心器件及經(jīng)費預算</p><p>　　五、要求的實驗條件及落實情況</p><p>　　實驗室：130實驗室</p><p><b>　　計算機一臺</b

25、></p><p>　　測試設備：萬用表，示波器</p><p>　　六、課題的難點及解決辦法</p><p>　　重難點在于boost升壓電路電感的選擇和制作，UC3854外圍電路的設計以及整體電路板的調(diào)試，由于這是一個純硬件電路，所以調(diào)試起來會比較困難，所以在進行焊接之前，必須充分閱讀資料，了解電路的特性以及其中各個元器件的作用，才能更好地進行調(diào)試。<

26、;/p><p><b>　　七、時間安排</b></p><p>　　2012.12-2013.1 收集資料，熟悉有源功率因數(shù)校正方法的原理和特點</p><p>　　2013.3.5 －2013.3.18 (1-2周)設計功率因數(shù)校正電路的整體框圖，查閱各部分設計的不同方案；</p><p>　　2013.3.19－201

27、3.4.1（3-4周）分析，仿真計算，確定最終實現(xiàn)方案；</p><p>　　2013.4.2 －2013.4.22（5－7周）繪制原理圖及制作PCB板；</p><p>　　2013.4.23－2013.5.20（8－11周）電路焊接調(diào)試，改進及測試；</p><p>　　2013.5.21－2013.6.15（12－15周）撰寫論文,準備答辯。</p>

28、;<p><b>　　主要參考資料</b></p><p>　　[1] 《Switching Power Supply Design(Third Edition)》 Abraham I.Pressman and Keith Billing</p><p>　　[2] 《精通開關電源設計》Sanjaya Maniktala</p><