高功率因数电源改进版1

高功率因数电源PFCXX、 XXX、 XXX武汉纺织大学创新实验室2011年 7月、题目设计要求（详细设计参考请参见 1838面）n 一、任务 n 设计并制作一台具有 功率因数校正环节(PFC)的整流电源，要求输出直流电压 Uo为 36V，最大负载电流为 2A，负载为电阻性负载，其电路原理框图如图 1所示。n 二、要求 n 1、基本要求 n （ 1）当电压 U2为 (15 19)V，负载电流 IO为 (0.52)A时，要求输出电压 UO稳定在 36V，其误差的绝对值小于 5% 。n （ 2）变压器副边电流 I2的波形应为正弦波，失真度小于 5% 。n （ 3）电路功率因数大于 0.95（在变压器副边测量）。n （ 4）输出电路具有过流保护功能 (输出电流 Io达2.5A时自动保护 )。n 2、发挥部分 n （ 1）设计制作检测输出电压和输出电流的测量电路，其测量误差绝对值小于 2% 。 n （ 2）当 U2电压为 18V，负载电流为 (0.52)A时，能对输出电压 UO在 (30 36)V范围内设定，其测量误差的绝对值小于 2% 。 n （ 3）设计制作功率因数测量电路，其测量误差的绝对值小于 2% 。n （ 4）其他。n 三、说明n 1、至少使用 2片 TI芯片，推荐采用 TI公司 PFC控制芯片UCC28019。n 2、功率因数说明：在假设变压器副边电压 U2为标准正弦波条件下，功率因数的计算公式为：n n 式中： U2、 I2分别为变压器副边的电压、电流有效值， I21为 I2中的基波分量 , 1为 U2和 I21之间的相位差。考虑到本题电路的特点，为计算简单，可以用 U2、 I2之间相位差 的余弦 cos 作为功率因数。n 3、在隔离变压器前用自耦变压器调整输入电压，用滑线变阻器模拟负载。n 4、为测试方便，在制作电路时，留出 U2、 I2、 UO、 IO的测试点。n 5、调试时，要防止输出端开路或短路。n 6、设计报告正文中应包括系统总体框图、核心电路原理图、主要流程图、主要的测试结果。完整的电路原理图、重要的源程序用附件给出。 、高功率因数电源产生的背景n 传统的 AC-DC变换由交流电网经整流电路采用电容滤波获得直流电压，这种变换电路主要缺点有：n （ a）、输入交流电压是正弦波，但输入的交流电流是脉冲电流，波形严重畸变，干扰电网电压，产生向四周辐射和沿导线传播的电磁干扰；n （ b）、为了得到可调的直流电压，采用晶闸管可控整流电路，但脉动很大，需要很大的滤波器才能得到平稳的直流电压。n 此外交流电流中含有大量的谐波电流，使电网中电流波形严重畸变，电源的输入功率因数低，利用效率下降。 、提高功率因数的措施n （ 1）、附加无源滤波器。n 在整流器和滤波电容之间接入一个滤波电感 Lz，增加输入端交流电流的导电宽度，减缓电流冲击，减小波形畸变，从而减小电流的谐波成分。n （ 2）、有源 PFC n 有源功率因数校正简称 APFC，主要控制输入电流呈正弦波变化，且与输入电压之间的相位差尽可能接近为 0，即功率因数接近为 1。按照输入电流的控制，有源功率因数校正有以下几种方法：n (a)平均电流型：工作频率固定，输入电流连续（ CCM），该控制方式的优点有： （ 1）恒频控制。（ 2）工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、 EMI滤波器体积小。（ 3）能抑制开关噪声。（ 4）输入电流波形失真小。 n （ b)滞后电流型：工作频率可变，电流达到滞后带内发生功率开关通与断操作，使输入电流上升、下降。电流波形平均值取决于电感输入电流。n (c)峰值电流型：工作频率变化，电流不连续（DCM）。 n (d)电压控制型：工作频率固定，电流不连续。 、方案选取n 无源功率因数校正电路一般最高只能达到 0.9的功率因数，无法满足题目基本部分 0.95的功率因数的要求，故我们选择有源PFC 。n 有源 PFC 集成控制芯片有很多种，比如像 UC3854、 UC3855、 UCC28019.由于UCC28019外围电路简单，调试方便，方案已经相当成熟，故我们采用该方案。 、电路参数设计UCC28019控制电路原理图Boost主电路原理图n 1.主回路器件的选择及参数计算：n 主电路采用 Boost主电路结构；n 交流 220V输入，经过 EMI滤波，隔离变压器选择250W、 18V输出的隔离变压器；n R1和 R4电阻分压检测交流输入电压 U2，n Rs2取样电阻检测输入电流 I20，阻值取 0.1欧，输入电流接近 7A；n 整流桥采用 15A金属封装的整流桥；n R2和 R5电阻分压检测整流桥的输出电压；n Rs3取样电阻检测电感中的流过的电流，阻值取 0.04欧；n R3和 R6分压检测输出电压；n RL1为电阻可变负载；n Rs1取样电阻检测输出电流，阻值取 0.05欧。n 开关管要求工作在 65KHz，在系统中取IRFP460,最大反向电压可到 500V，最大电流20A，导通电阻小，开关管上升时间为120ns.可满足题目要求。n D1二极管主要的功能是使系统快速启动，系统中采用 FR307，快恢复二极管 D2取1个 MUR3060双管并联使用，需要加散热装置 。n2.PFC控制电路设计与参数计算：n PFC控制电路采用 TI公司的专用 PFC芯片 UCC28019，作为整个校正系统的控制器。 UCC28019为持续传导模式的 PFC控制器，锯齿波振荡频率为 65K，输出方波最高占空比为 97%，内带 5V的电压基准，推挽式输出的驱动电压可达12.5V，电流达 1.5A。具有电源输入软启动保护，以及反馈电压欠压，过压锁存，和峰值电流限制，此外还设有电压，电流反馈补偿端。校正后的功率因数可达 0.99以上，特别适用于 BOOST 升压电路，输入电压范围宽，输出功率大。 FPC控制的电路设计如下图示： n 图 PFC控制及主电路设计图n 控制电路 15V电压供电，图中 R7和 C7对输入电压值进行滤波， R7采用 221欧的电阻， C7取 1000pF， 8是电流环的补偿电容，取值 1200pF， C6输入电压采样后的滤波电容，取值 0.68uF， C9， C10， R8为电压环的补偿环节， R8取值 33.2K， C10取值 3.3uF， C9取值 0.22uF。整体电路具体参数如图中所示 、有待改进的方面：n 1、输入交流电流波形毛刺很严重，如图所示：n 2、输出负载电流 Io无法上到 2An 我们是使用上届学长订做的由多股线绕制的 500uH的电感，负载电流 Io达到 1.7A时，电感发声就很严重，此时主电路工作不正常，输入交流电压、交流电流的失真很严重。如图所示：这很有可能是电感电流上不去，电感的额定电流太小了。如果减小流过电感的电流，或是增大电感的额定电流值，问题也许就得到解决。3、接线不规范n 使用杜邦线太多，造成系统不稳定因素很多，同时也引入了大量的电磁干扰，在以后设计电路的时候，要有意识的去规划好各模块电路，尽量方便接线、减少接线，避免引入不必要的电磁干扰。4、理论知识不足n 这个也是目前存在的最严重的问题，这个问题在现在特别突出，这几次做的题目，我们几乎都是参考学长给的电路图，连电路的参数也是选择的一样的。但是如果说让我们把 BUCK、 BOOST、 PFC控制的原理、思想方法讲清楚，恐怕很难。这就存在一个理论空洞。n 我一直都有这样一种观点：芯片选取、实际采用的方法是会不断改变或是升级的，但是有些设计的基本思想、基础的理论、基本理念是不会改变的。基础扎实，才会不断有所创新。以后做题，在加快进度的同时，还要有意识的加强理论知识的培养，要知其然，也要知其所以然。、心得体会：n 转入做电源的题目后，思维方式与以前做仪器仪表时有很大的不同，电源的题目，主体电路一般就是固定的，我们只能一条道走到黑，但是它的参数（主要包括滤波电感 L、输出电容 C，输出反馈电阻网络Rf）需要精心计算，每一步设计都要有理有据。特别是在调试电路的时候，思路一定要清晰，否则就很容易忽视一些最基本的问题，而造成很严重的后果。（ a） 变压器副边的地与 Boost主电路的地就不能共在一起。变压器副边的地为浮地，流经其电流的方向是变化的，而 Boost主电路的地，流经其电流的方向是固定的。n 上面的这个电路，由于共地问题，我们就不能用一个示波器既测输入交流电压（或交流电流）的波形，同时又测量输出直流电压（或者 G极驱动 PWM）的波形。因为示波器两路通道的地在内部已经是连在一起的。n 而且在做测量电路的时候，如果不做任何处理，测电压、电流电路与测功率因数角的电路需要两个电源分别供电，数据处理需用两个单片机，或者将测量功率因数角的电路经光耦合隔离电路后再测量，这样就只需一个单片机。还可以采用差分输入运放，这样也可以解决浮地的问题。n （ b） PI调节典型应用电路：R1这个电阻在电路中是必不可少的。但是在我们应用的时候，却往往忽略了这一点。输出电压经分压电阻分压后再经电压跟随，我们想的是与前级电路隔离，但却不知跟随器的输出电阻为零， PI调节缺少 P这一项，导致输出电压一直上升，工作不正常，有可能超过输出滤波电容的耐压值。n （ c）加法器电路：这个电路能够实现 Vfb=Vf+VDA吗？比较这个电路与刚才的加法电路，它们有什么区别？从 VDD的值和万用表的仿真数据，我们已经得到答案！你看出来了吗？n （ d） INA128低端采样电流