有源功率因數(shù)校正實(shí)踐報(bào)告

1、 物理與電氣工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告有源功率因數(shù)校正姓 名 張 * 學(xué) 號(hào) * 專業(yè) 電氣工程及其自動(dòng)化指導(dǎo)教師 苗風(fēng)東 成 績(jī) 日期 2014.06.22 一、功率因數(shù)的定義功率因數(shù)PF定義為：功率因數(shù)（PF）是指交流輸入有功功率（P）與輸入視在功率（S）的比值。PF=cos= cos （1） 式中： ：基波因數(shù)，即基波電流有效值I1與電網(wǎng)電流有效值IR之比。 IR：電網(wǎng)電流有效值 I1：基波電流有效值 UL：電網(wǎng)電壓有效值 cos：基波電流與基波電壓的位移因數(shù)在線性電路中，無(wú)諧波電流，電網(wǎng)電流有效值IR與基波電流有效值I1相等，基波因數(shù)=1，所以PF·cos1·coscos

2、。當(dāng)線性電路且為純電阻性負(fù)載時(shí)，PF·cos1·11。二、有源功率因數(shù)校正技術(shù)1有源功率因數(shù)校正分類（1）按電路結(jié)構(gòu)分為：降壓式、升/降壓式、反激式、升壓式（boost）。其中升壓式為簡(jiǎn)單電流型控制，PF值高，總諧波失真（THD：Total Harmonic Distortion）小，效率高，適用于75W2000W功率范圍的應(yīng)用場(chǎng)合，應(yīng)用最為廣泛。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：l 電路中的電感L適用于電流型控制l 由于升壓型APFC的預(yù)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(chǔ)能大l 在整個(gè)交流輸入電壓變化范圍內(nèi)能保持很高的功率因數(shù)l 輸入電流連續(xù)，并且在APFC開(kāi)關(guān)瞬間

3、輸入電流小，易于EMI濾波l 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為：平均電流型（工作頻率固定，輸入電流連續(xù)）、滯后電流型、峰值電流型、電壓控制型。圖1 輸入電流波形圖其中平均電流型的主要有點(diǎn)如下：l 恒頻控制 l 工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管電流有效值小、EMI濾波器體積小。 l 能抑制開(kāi)關(guān)噪聲 l 輸入電流波形失真小主要缺點(diǎn)是： l 控制電路復(fù)雜l 需用乘法器和除法器 l 需檢測(cè)電感電流l 需電流控制環(huán)路（3）按輸入電流的工作模式分為：連續(xù)導(dǎo)通模式CCM(Continuous Conduction Mode)和不連續(xù)導(dǎo)通模式DCM(Dis

4、continuous Conduction Mode)。（4）按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為：雙級(jí)模式和單級(jí)模式。單級(jí)功率校正-峰值電流控制2、有源功率因數(shù)校正原理有源功率因數(shù)校正（Active Power Factor Correction，簡(jiǎn)稱APFC）技術(shù)的思路是，控制已整流后的電流， 使之在對(duì)濾波大電容充電之前能與整流后的電壓波形相同， 從而避免形成電流脈沖，減小輸入電流諧波,達(dá)到改善功率因數(shù)的目的。有源功率因數(shù)校正電路原理圖整流器輸出電壓ud、升壓變換器輸出電容電壓uC與給定電壓U*c的差值都同時(shí)作為乘法器的輸入，構(gòu)成電壓外環(huán), 而乘法器的輸出就是電流環(huán)的給定電流I*s。升壓變換器輸出電容電壓uC

5、與給定電壓U*c作比較的目的是判斷輸出電壓是否與給定電壓相同，如果不相同，可以通過(guò)調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)使之與給定電壓相同，調(diào)節(jié)器（圖中的運(yùn)算放大器）的輸出是一個(gè)直流值，這就是電壓環(huán)的作用。而整流器輸出電壓ud顯然是正弦半波電壓波形，它與調(diào)節(jié)器結(jié)果相乘后波形不變， 所以很明顯也是正弦半波的波形且與ud同相。將乘法器的輸出作為電流環(huán)的給定信號(hào)I*s ，才能保證被控制的電感電流iL與電壓波形ud一致。I*s的幅值與輸出電壓uC同給定電壓U*c的差值有關(guān)，也與ud的幅值有關(guān)。L1中的電流檢測(cè)信號(hào)iF與I*s構(gòu)成電流環(huán)， 產(chǎn)生PWM信號(hào), 即開(kāi)關(guān)V的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。V導(dǎo)通，電感電流iL增加，電流線性增加，電能以磁能的形

6、式儲(chǔ)存在電感線圈中，電容C放電為負(fù)載提供能量。當(dāng)iL增加到等于電流Is*時(shí)，V截止，二極管導(dǎo)通，電源和升壓電感L1（由于線圈中的磁能將改變線圈L兩端的電壓極性，以保持其電流iL不變，線圈L轉(zhuǎn)化成VL與電源電壓VIN串聯(lián)高于輸出電壓）釋放能量，同時(shí)給電容C充電和向負(fù)載供電， 這就是電流環(huán)的作用。這種電路優(yōu)點(diǎn)是輸入電流完全連續(xù)，并且在整個(gè)輸入電壓的正弦周期都可以調(diào)試，缺點(diǎn)是輸出電壓必須大于輸入電壓的最大值，所以輸出電壓比較高，不能利用開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)輸出短路保護(hù)。三、UC3854控制集成塊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(kāi)關(guān)電流近似等于輸入電流，是目前使用最

7、廣泛的APFC電路。 1、UC3854總體結(jié)構(gòu)UC3854的總體結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要包括以下幾個(gè)功能模塊：電壓誤差放大器模塊，電流誤差放大器模塊，乘除法器模塊，鋸齒波發(fā)生器模塊，輸出驅(qū)動(dòng)模塊，以及峰值限制比較器模塊，欠電壓過(guò)電壓保護(hù)模塊，軟起動(dòng)模塊和一些數(shù)字邏輯。為了簡(jiǎn)化模型，建模中省去欠電壓、過(guò)電壓鎖存比較器，軟起動(dòng)等輔助環(huán)節(jié)。UC3854 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖中，標(biāo)有 A、B、C 的方框是所謂的乘法器，電壓誤差放大器的輸出（在引腳 7 上可以測(cè)量到）是乘法器的一個(gè)輸入，稱作 A。乘法器的另一個(gè)輸入，取自整流器的輸出電壓波形，通過(guò)引腳 6 引入，稱作 B。前饋電壓校正是通過(guò)引腳 6 引入的，稱作 C。

8、這三個(gè)量在乘法器里運(yùn)算后， 乘法器輸出為電流 Imo， 它接到引腳 5。這個(gè)電流 Imo 與實(shí)際電流值 Isense（引腳 4）在電流誤差放大器中進(jìn)行比較。電流誤差放大器的右側(cè)是PWM 比較器。在 PWM 比較器里，電流誤差放大器的輸出與芯片振蕩器的輸出斜坡電壓相比較。振蕩器與 PWM 比較器的輸出用來(lái)驅(qū)動(dòng)一個(gè) RS 觸發(fā)器，RS 觸發(fā)器再驅(qū)動(dòng)推挽電路輸出 PWM 信號(hào) （腳 16） ，用來(lái)控制主電路開(kāi)關(guān)管的開(kāi)斷時(shí)刻。振蕩器的定時(shí)電容從引腳 14 接入， 定時(shí)電阻器外接在腳 12，它在 UC3854 中還起到乘法器的最大輸出電流限制作用。另外，芯片工作電源自腳 15引入，腳 1 為芯片“地”。

9、 UC3854 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖的左上角，包含了一個(gè)欠壓鎖定比較器和一個(gè)使能比較器，它們都是滯環(huán)比較器，欠壓比較器用來(lái)監(jiān)控芯片本身工作電源的電平；使能比較器可用來(lái)控制芯片是處于工作狀態(tài)還是封鎖狀態(tài)，只有當(dāng)使能比較器的輸出都為高電平時(shí)，才允許芯片進(jìn)入工作狀態(tài)。 這兩個(gè)比較器的下方是電壓比較器。芯片中的電壓比較器實(shí)際上是電壓誤差放大器。電壓比較器的同相輸入端內(nèi)接 3V 的參考電壓，反相輸入端連接到引腳 11，稱作 Vsence，Vsence 代表的是輸出電壓。 電壓誤差放大器旁邊所接的二極管是想表示其內(nèi)部作用而不是表示其實(shí)際配置。電壓誤差放大器的同相輸入端還連到下方的軟啟動(dòng)電路。這樣可以讓電壓控制環(huán)在輸

10、出電壓達(dá)到它的工作點(diǎn)之前就開(kāi)始工作，可以消除一般電源裝置深受其害的開(kāi)啟超調(diào)。 在引腳 11 與放大器反向輸入端之間所接的二極管同樣是一個(gè)理想二極管，用來(lái)消除參考電壓上是否有額外的二極管壓降的疑慮。 引腳 2 上提供一個(gè)緊急峰值電流限制信號(hào)，當(dāng)腳 2 的電平被輕微地拉到“地”以下時(shí)，PWM 輸出信號(hào)就會(huì)被封鎖。 芯片內(nèi)置了一個(gè) 14uA 電流源給軟起動(dòng)電路的定時(shí)電容器 CT 充電。2、UC3854的引腳（端）功能表引腳序號(hào)引腳符號(hào)引腳說(shuō)明1Gnd接地端，器件內(nèi)部電壓均以此電壓為基準(zhǔn)2PK1MT峰值限定端，其閾值電壓為零伏與芯片外電流傳感電阻負(fù)端相連，有可與芯片內(nèi)接基準(zhǔn)電壓的電阻相連，使峰值電流比

11、較器反向端電位補(bǔ)償至零3CAOut電流誤差放大器的輸出端，對(duì)輸入總線電流進(jìn)行檢測(cè)，并向脈寬調(diào)制器發(fā)送電流校正信號(hào)的寬帶運(yùn)放輸出4Isense電流傳感信號(hào)接至電流放大器反向輸入端，4腳電壓應(yīng)高于0.5伏（因采用二極管對(duì)地保護(hù)）5MultOut乘法放大器的輸出和電流誤差放大器的正向輸入端6IAC乘法器前饋交流輸入端，與B端相連，6腳的設(shè)定電壓為6伏，通過(guò)外接電阻與整流橋輸出工頻總線相連，并用電阻與芯片內(nèi)基準(zhǔn)相連7VAOut誤差電壓放大器的輸出電壓，這個(gè)信號(hào)又與乘法器A端相連，但若低于1伏乘法器便無(wú)輸出8VRMS前饋總線電壓有效值端，與跟輸入線電壓有效值正比的電阻相連時(shí)，可對(duì)線電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)償9V

12、REF基準(zhǔn)電壓輸出端，可對(duì)周邊電路提供10mA的驅(qū)動(dòng)電流10ENA允許比較器輸入端，不用時(shí)與5伏電壓相連11VSENSE電壓誤差放大器反向輸入端，在芯片外與反饋網(wǎng)絡(luò)相連，或通過(guò)分壓網(wǎng)絡(luò)與功率因子較正器輸出相連12RSET12腳信號(hào)與地接入不同的電阻，用來(lái)調(diào)節(jié)振蕩器的輸出和乘法器的最大輸出13SS軟起動(dòng)端，與誤差電壓放大器同相端相連14CT接對(duì)地電容器CT，作為振蕩器定時(shí)電容15VCC正電源閾值為10V16V16GTDrvPWM信號(hào)的圖騰輸出端，外接MOSFET管的柵極，該端電壓箝位在15V3、主要電路參數(shù)設(shè)計(jì) 3.1主要設(shè)計(jì)要求 （1） 輸入：AC 220V±20%，50Hz

13、7;5% 。 （2） 輸出：DC 400V。 （3） 輸出功率：5000W。 （4） 電壓調(diào)整率：1%，負(fù)載 10%100%變化范圍時(shí)。 （5） 效率：80% 。 （6） 功率因數(shù)：在輸入電壓 220V±20%，輸出滿載時(shí)，99%。 3.2主要參數(shù)計(jì)算與選擇 （1）主開(kāi)關(guān)器件 VT 的選擇 開(kāi)關(guān)器件所承受的最大電壓為輸出直流電壓，即 400V。 開(kāi)關(guān)器件所承受的最大電流為線路的最大峰值電流 Iline(pk)。 式（3）中，Pout為輸出功率，為 5000W；Vin(min)為最低網(wǎng)壓的有效值，為 220（1%20%）V； 為電源效率，為 0.8。 算出：Iline(pk)=50A。

14、 根據(jù)開(kāi)關(guān)器件對(duì)電壓和電流的要求，開(kāi)關(guān)器件選擇單管型 IGBT 器件?？紤]適當(dāng)?shù)脑６纫约霸谳^高溫度下的降額使用后，本設(shè)計(jì)選擇 1200V/150A的 IGBT 器件。（2）開(kāi)關(guān)頻率的選擇 開(kāi)關(guān)頻率高， 可以減小 APFC 電路的結(jié)構(gòu)尺寸，提高功率密度，減小失真；但頻率太高又會(huì)增大開(kāi)關(guān)損耗，影響效率。本設(shè)計(jì)中將開(kāi)關(guān)頻率選擇為30kHz，作為尺寸與效率之間的一種綜合考慮，這樣的頻率下，電感量的大小合理，尖峰失真小，電感器的物理尺寸較小，IGBT 和 Boost 二極管 VD上的功率耗損也不會(huì)過(guò)多。（3）Boost 電感的計(jì)算5在變換器頻率一定的情況下，電感值決定了輸入端高頻紋波的值。線路輸入電流的

15、最大值 Iline(pk)發(fā)生在最小網(wǎng)壓的峰值處，它的值前已算出，即 Iline(pk)=50A。 升壓變換器的最大紋波電流發(fā)生在占空比為50%處，也就是當(dāng)升壓比為 M=Vout/Vin=1/(1-D)=2 時(shí)。電感器紋波電流的峰峰值，通常是按照最大輸入電流值的 20%來(lái)選取的，這只是經(jīng)驗(yàn)值，因?yàn)檫@通常不是高頻紋波電流的最大值。紋波電流選擇過(guò)大，就可能使變換器進(jìn)入斷續(xù)工作方式的時(shí)間在整個(gè)周期占的比例過(guò)大，為此就必須設(shè)計(jì)更大的輸入濾波器，以衰減更高頻的紋波電流。UC3854 由于采用了平均電流方式控制，因此允許變換器在連續(xù)與斷續(xù)工作方式下平穩(wěn)過(guò)渡并保持性能基本不變。電感器的電感量是根據(jù)最小網(wǎng)壓下

16、，正弦波定點(diǎn)處的電流幅值和占空比 D，再結(jié)合開(kāi)關(guān)頻率來(lái)選擇的。式（4）、（5）中，I 是紋波電流的峰峰值；Vout 是輸出電壓；Vin(pk)是最小網(wǎng)壓的峰值；fs 是開(kāi)關(guān)頻率。 由（4） 、 （5）上式可算出：D=0.38，L=0.31mH。 高頻紋波電流是疊加在線路電流之上的，所以峰值電感電流就是線路電流的幅值與 1/2 紋波電流峰峰值的和。本設(shè)計(jì)中，已將峰值電流限制設(shè)定為120%的最大電流，即 60A。因此電感器額定電流按60A 選擇。（2）升壓二級(jí)管 VD 的選擇 升壓二級(jí)管應(yīng)選 trr 小，正向壓降小且具有軟恢復(fù)特性的超快恢復(fù)二極管。 二極管的額定電流必須大于電感上電流的最大峰值 60A，并留有一定的裕度。 （3）輸出電容器的選擇 流過(guò)輸出電容器的總電流是開(kāi)關(guān)紋波電流與二次諧波線路電流之和。輸出電容器的選擇應(yīng)考慮開(kāi)關(guān)頻率、紋波電流值、二次諧波紋波電流、直流輸出電壓值、輸出紋波電壓值及維持時(shí)間。 輸出維持時(shí)間，在選擇輸出電容器的電容量中起主導(dǎo)作用。它是指在輸入功率