CCM-BOOST功率因數校正課設正文

武漢理工大學《電力電子裝置及系統(tǒng)》課程設計說明書摘要......................................................................................................................11設計任務及要求.........................................................................................................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.............................................................................................22.2AC／DC變換器輸入電流的諧波分析及危害..............................................33功率因數校正原理.....................................................................................................43.1功率因數（PF）的定義.................................................................................43.2PF與功率因數的關系....................................................................................53.3有源功率因數校正方法分類..........................................................................54有源功率因數校正的實現(xiàn).........................................................................................74.1UC3854控制集成電路...................................................................................74.1.2UC3854中的前饋作用........................................................................94.2UC3854的典型應用電路.............................................................................114.3功率因數校正原理圖...................................................................................124.4主電路設計...................................................................................................124.4.1升壓電感設計....................................................................................124.4.2輸出電容............................................................................................134.4.3選擇功率管MOSFET及續(xù)流二極管..............................................135基于UC3854的MATLAB仿真............................................................................145.1仿真模型連接...............................................................................................145.2仿真結果........................................................................................................156小結與體會..............................................................................................................16參考文獻......................................................................................................................17武漢理工大學《電力電子裝置及系統(tǒng)》課程設計說明書摘要本文設計了一種高功率因數、低電磁干擾的單級 CCM-BOOST功率因數校正電路。首先對有源功率因數校正電路進行了詳細的分析。 基于對有源功率因數校正電路的雙級式和單級式結構的特點比較，本文采用了單級式的電路結構。選擇Boost電路為有源功率因數校正電路的主電路， 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校正電路做了優(yōu)化基礎上，在輸入電壓為市電220V/50Hz條件下，對有源功率因數校正電路進行優(yōu)化，輸出 400V直流電，并應用MATLAB軟件進行了仿真計算。仿真結果與理論設計比較，兩者相當一致,表明了本文所做的工作的正確性。關鍵詞：CCM-BOOST功率校正 UC3854MATLAB仿真1武漢理工大學《電力電子裝置及系統(tǒng)》課程設計說明書CCM-BOOST功率因數校正電路仿真設計任務及要求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)功率因數校正，輸入功率因數達到 0.99。2、輸出直流電壓：400V，輸出功率250W。3、建立功率因數校正電路 Matlab仿真模型或者saber模型。4、進行仿真，得到交流側輸入電壓電流波形。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)的功率因數降低，造成電網供電質量下降，干擾周圍電氣設備正常運行，這一問題已引起人們極大的重視。如何抑制這些諧波，改善供電質量己成為一個重要的研究課題。在電力電子裝置中，開關功率變換器的功率因數校正及控制就是該領域的一個重要方面。目前，這一重要課題研究中，常用的是基于Boost電路的功率因數校正(PowerFactorCorrection)技術，本次課設設計了有源功率因數校正電路。本章以AC／DC變換器為例，分析了普二極管整流電路產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的關系，介紹了抑制諧波和提高功率因數的途徑，得出了本文提高AC／DC變換器輸入端功率因數的策略2武漢理工大學《電力電子裝置及系統(tǒng)》課程設計說明書及有源功率因數校正技術。2.2AC／DC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，在電網輸入端產生了失真很大、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)使電子設備正常工作受到影響、對通訊設備產生信號干擾、繼電保護裝置發(fā)生誤動作。3)諧波倒流入電網，引起嚴重的諧波“污染”及母線上的電壓畸變，干擾其它設備的正常運行。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，還會產生附加諧波轉矩、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，導致了電網中產生附加損耗。3武漢理工大學《電力電子裝置及系統(tǒng)》課程設計說明書功率因數校正原理3.1功率因數（PF）的定義功率因數是電力系統(tǒng)的一個重要的技術數據。 功率因數是衡量電氣設備效率高低的一個系數。功率因數低，說明電路用于交變磁場轉換的無功功率大， 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 (Φ)的余弦叫做功率因數，用符號cosΦ表示，在數值上，功率因數（PF）是有功功率（P）和視在功率（S）的比值，即PUICOSICOSPFUI1COSSI1式中cosφ——功率因數；P——有功功率，kW；S——視在功率，kV.A；U——用電設備的額定電壓， V；I——用電設備的運行電流有效值， A；I1——用電設備電流基波電流， A；——輸入電流波形畸變因數。所以功率因數可以定義為輸入波形畸變因數（ ）與相移因數（ ）的乘積，可見功率因數（PF）由電流失真系數（ ）和基波電壓、基波電流相移因數（ ）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（ ）和波形畸變因數（ ）相比，輸入波形畸變因數（ ）對供電線路功率因數（ PF）的影響更大。4武漢理工大學《電力電子裝置及系統(tǒng)》課程設計說明書3.2PF與功率因數的關系3.3有源功率因數校正方法分類1．按電路結構分1）降壓式：因噪聲大，濾波困難，功率開關管上電壓應力大，控制驅動電平浮動，很少被采用。2）升/降壓式：需用二個功率開關管，有一個功率開關管的驅動控制信號浮動，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的預調整作用在輸出電容器C上保持高電壓，所以電容5武漢理工大學《電力電子裝置及系統(tǒng)》課程設計說明書器C體積小、儲能大。3）在整個交流輸入電壓變化范圍內能保持很高的功率因數。4）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。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①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)，開關管電流有效值小、EMI濾波器體積小。3）能抑制開關噪聲。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。②滯后電流型：工作頻率可變，電流達到滯后帶內發(fā)生功率開關通與斷操作，使輸入電流上升、下降。電流波形平均值取決于電感輸入電流，波形圖如圖1（b）所示。③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）功率因數和輸入電壓 Vin與輸出電壓VO的比值 有關。即當Vin變化時，功率因數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）開關管的峰值電流大（在相同容量情況下，DCM中通過開關器件的峰值電6武漢理工大學《電力電子裝置及系統(tǒng)》課程設計說明書流為CCM的兩倍），從而導致開關管損耗增加。所以在大功率 APFC電路中，常采用CCM方式。④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輸入電流波形圖有源功率因數校正的實現(xiàn)下面以常見的美國 TI公司生產的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。4.1UC3854 控制集成電路4.1.1UC3854引腳功能7武漢理工大學《電力電子裝置及系統(tǒng)》課程設計說明書UC3854引腳功能如表 3-1所示。表3-1UC3854的引腳功能引引腳腳 引腳功能符號號GN(1) 接地端，器件內部電壓均以此端電壓為基準D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PKL芯片內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MT至零CA 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(3)out 調制器發(fā)出電流校正信號的寬帶運放輸出Isens電流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(4)e（因采用二極管對地保護）Mult乘法放大器的輸出和電流誤差放大器的同相輸入端out(6)IAC乘法器的前饋交流輸入端，與B端相連，(6)引腳的設定電壓為6V，通過外接電阻與整(7)VA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out低于1V乘法器便無輸出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VRMS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的驅動電流ENA允許比較器輸入端，不用時與+5V電壓相連V檢電壓誤差放大器反相輸入端，在芯片外與反饋網絡相連，或通過分測壓網絡與功率因數校正器輸出端相連(12)端信號與地接入不同的電阻，用來調節(jié)振蕩器的輸出和乘法器的Rset最大輸出SS軟啟動端，與誤差放大器同相端相連CT接對地電容器CT，作為振蕩器的定時電容Vcc正電源閾值為10V～16VGTDPWM信號的圖騰輸出端，外接MOSFET管的柵極，該電壓被鉗位8武漢理工大學《電力電子裝置及系統(tǒng)》課程設計說明書RV 在15V4.1.2UC3854中的前饋作用UC3854的電路框圖和內部工作框圖如圖 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9武漢理工大學《電力電子裝置及系統(tǒng)》課程設計說明書的輸出為 ，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的衰減倍數將式（3）代入式（4）后有如果PF=1效率η=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除以一個可見在保證提高功率因數的前提下，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)全輸入電壓范圍內的正常工作，并可10武漢理工大學《電力電子裝置及系統(tǒng)》課程設計說明書使整個電路具有良好的動態(tài)響應和負載調整特性。在實際應用中需要加以注意：前饋電壓中任何 100Hz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。如果Cf太小，則功率因數會降低，而 Cf過大，前饋延遲又較大。當電網電壓變化劇烈時，會造成輸出電壓的過沖或欠沖，所以 Cf的取值應折中考慮。4.2UC3854 的典型應用電路原理圖如圖4所示。圖4UC3854的典型應用電路11武漢理工大學《電力電子裝置及系統(tǒng)》課程設計說明書4.3功率因數校正原理圖基于CCM-BOOST功率因數校正電路設計包括主電路設計和控制電路的設計。主電路主要包括工頻整流橋、輸入電感、開關管、續(xù)流二極管、輸出濾波電容等?？刂齐娐分饕?PWM電流控制芯片UC3854集成電路。功率因數校正原理圖如圖 5所示：圖5功率因數校正原理圖4.4主電路設計4.4.1升壓電感設計電感將決定在輸入側高頻紋波電流的大小，且它的值與紋波電流的大小有關。電感值由輸入側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：12武漢理工大學《電力電子裝置及系統(tǒng)》課程設計說明書最大峰值線路電流Ipk(PinPOmax時)為：2pin2pOmax2250，其中Vrms(min)為輸入電壓最IpkVrms(min)1.96AVrms(min)180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：I0.2Ipk0.21.960.39A低電網線路電壓時經整流的峰值電壓Vin(pk)1.414180254.6V,則在Ipk時的占空因數DVoVin(pk)400254.5Vo4000.364則升壓電感器的電感LVin(pk)D254.50.364fI1000002.38mH0.39開關頻率f100kHz，故取L2.4mH4.4.2輸出電容輸出電容器電容C0的典型值一般按每瓦 l～2 F確定。記 t為維持時間（秒），Vo(min)是最小輸出電容器電壓，則2Pot225068103t=68ms,Co40023002486FVo2Vo2(min)取C0500F4.4.3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in(pk)254，o(max)250W，功率管額重情況選擇額定參數。輸入電壓為VVP13武漢理工大學《電力電子裝置及系統(tǒng)》課程設計說明書定電流Irms2Po2(max)16U00.68A23Uin(pk)Uin(pk)通?？紤]兩倍裕量，故管子的額定電流值取為1.5A。對于續(xù)流二極管，二極管額定電流Idms16U01.64A3Uin(pk)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。根據上述額定電壓，額定電流要求，