机电一体化毕业设计（论文）-电网功率因数控制电路的实现.doc

浙江工业大学博士学位论文毕业设计说明书课题名称： 电网功率因数控制电路的实现 学生姓名 学 号 二级学院（系） 电气电子工程学院 专 业 机电一体化 班 级 机电1041 指导教师 起讫时间：2012年2月21日2012年4 月15日22浙江机电职业技术学院毕业设计说明书课题名称: 电网功率因数控制电路的实现摘 要功率因数校正pfc（power factor correction）是治理谐波污染的一种有效方法。论文介绍了传统有源功率因数校正（apfc）的工作原理，分析了其主电路在应用中因二极管反向恢复产生的电流冲击与纹波噪声等问题，设计了一种带中心抽头电感的单相boost高功率因数校正器，该电路采用平均电流模型uc3854，它通过脉宽调制输出的一连串脉冲信号来控制电路中开关晶体管的导通与截止，从而将输入电流与输出电压的相位重新调整到同相状态，最终达到功率因数校正的目的。与传统型功率因数校正主电路相比，该主电路拓扑结构只是在电感磁环上增加了几匝线圈，引出了一个中心抽头，能够有效地抑制电流冲击，降低纹波噪声，提高了功率因数校正主电路的可靠性，分析了尖端失真、输出电压飘升以及重载下输出电压参数调整等实际问题，并给出了相应的解决方案。同时，还设计了uc3854的引脚保护电路和电流放大器的箝位电路。仿真与试验结果表明，该boost功率因数校正器设计合理，性能可靠，功率因数可达到0.99，而且与当今通用的pfc控制电路兼容 关键词：机械设计；功率因数校正；整流器目 录摘 要i第1章 引言11.1 研究课题的意义11.2 功率因数校正技术的研究现状31.3 主要研究内容4第二章 单相功率因数校正的基本原理52.1 功率因数的基本概念52.1.1 功率因数的定义52.1.2 功率因数pf与总电流谐波畸变(thd)的关系52.1.3 功率因数校正的分类62.2 有源功率因数校正的基本原理6第三章 有源功率因数校正主电路方案论证83.1单相功率因数校正电路在实际应用中的问题83.2 三种改进型单相功率因数校正主电路拓扑103.3 方案比较12第四章 系统仿真及分析134.1输入电压输入电流波形仿真134.2 谐波分析154.3 关键点波形174.4 应用 protel 绘制原理图18第5章 结论20参 考 文 献21致 谢22第1章 引言1.1 研究课题的意义随着功率因数校正技术（power factor correction，pfc）是电力电子产品满足绿色环保要求的必需手段，是未来开关电源发展的关键技术之一。传统的功率因数概念是在线性负载（如电阻、电感等）条件下得到的，此时，交流电路中的电压和电流为同频率的正弦波，相位差为，功率因数pf =。最早由于使用大量交流电电机和各种电磁开关以及照明用电大量使用日光灯等感性负载，对于功率因数校正技术的研究，人们通常在感性负载两端并联移相电容，用容性无功功率补偿感性无功功率。基于进一步限制电流波形畸变和谐波，使电磁环境更加干净的宗旨，一些世界性的学术组织提出了谐波限制标准，如iec555-2，ieee519等。其中，iec555-2标准自1994年起已在欧盟国家全面实施，所有在欧盟市场销售的用电装置都必须满足这一标准。采用现代高频功率变换技术的有源功率因数校正技术是解决谐波污染最有效的手段。与传统的pfc电路相比，有源pfc电路的输入电流接近正弦波且与输入电压同相位，因此避免了对同一电网上其他用电设施的干扰。从pfc技术的发展历程来看，人们最早是采用电感器和电容器构成的无源网络进行功率因数校正。采用这种技术所需的滤波电容器和滤波电感器的体积和重量较大，因此电路往往较笨重，并且对于输入电流波形中的谐波电流的抑制效果并不理想。早期的有源功率因数校正电路主要是晶闸管电路，进入上世纪八十年代以来，电力电子设备中开关电源、相控整流器等非线性负载大量投入使用，给pfc技术提出了新的问题。随着功率半导体器件的发展，开关电源技术突飞猛进，有源功率因数校正（active power factor correction，apfc）技术应运而生。1986年美国公布功率因数等于1的电源的专利，这是最早的较完整的升压式pfc电路。起初对小功率电源并不适合但到八十年代末提出了工作在不连续导电模式（dcm）下的功率因数校正技术，其输入电流自动跟随输入电压，输入功率因数可接近1。这种变换器也叫电压跟随器，其控制简单，在小功率场合倍受青睐。pfc主要有两种方法： 无源pfc( ppfc)和有源pfc(apfc )。ppfc利用线性电感器和电容器组成滤波器来提高功率因数、降低谐波分量。该方法简单、经济, 在小功率中可取得好的效果。但是, 在较大功率的供电电源中, 需要大电感器和电容器, 这样体积和重量会较大也不太经济, 且功率因数的提高和谐波的抑制也不能达到理想的效果。apfc使用高频开关变换器来实现功率因数的校正, 可迫使输入电流跟随供电的正弦电压变化。apfc具有体积小、重量轻、功率因数大(可接近1)等优点。apfc又分为双级和单级两种。单级apfc电路将pfc预调节电路与dc/dc后调节电路集成为一次能量处理, 同时实现输入电流的整形和输出电压的调节, 具有结构单、成本低、变换效率较高等优点。但输入电流不能取得理想正弦波, 且只适用于小功率场合。单级apfc电路还存在一个非常严重的问题, 其储能电容电压不可控, 会随着输入电压和负载的变化而变化。如何降低储能电容电压是单级apfc电路的一个研究热点。有源功率因数校正（boostapfc）技术的思路，主要是控制已整流后的电流，使之在对滤波大电容充电之前，能与整流后的电压波形相同，从而避免电流脉冲的形成，达到改善功率因数的目的。由于apfc使得电网端的功率因数为1，减小了输入电流，降低了配电输入线的损耗，消除了用电装置的谐波分量对电网的污染，因此，凡是本身的工作会产生非线性，引起电网电压、电流畸变的电力电子装置，如果增加功率因数校正部分对电网带来的效益是明显的; 对于用电器本身则会增大体积提高成本。第四代igbt的工作频率已达到150khz，完全可以取代功率mosfet；而且用于功率因数校正的集成控制器已先后出台并拥入市场，因此apfc的成本增加不大，而可靠性大大提高了。同时由于apfc增加了一级功率调节环节，它既要使输入电流波形呈正弦波，又要能够稳定输出电压，要同时具有两个互为矛盾的特性，势必会造成动态响应的恶化。但如果合理设计输出滤波电容c，就可适当得到补偿。增大输出滤波电容c的容量，使之同时满足电压纹波和交流突然断电时维持时间的要求，就能解决问题。尽管apfc对消除电网污染，提高功率因数的作用很明显，但控制电路比较复杂，随着电子技术的发展，专用于apfc的集成电路（ic）已被开发研制出来，这对设计高功率因数，低谐波失真的各类电子电路提供了技术支持。 双级apfc中的pfc电路经过多年的研究,相对来说较成熟，是较常用的方式。它由两个相互独立的变换器分别实现输入电流的整形和输出电压的快速调节，前级pfc电路通常采用非隔离boost、buck/boost和隔离fly back变换器。电流连续ccm boost电路因电路拓扑较简单、输入电流纹波小、功率开关管直接接地等优点, 成为最常用的pfc电路。随着开关频率的提高，把诸如软开关技术等新技术应用于中大功率pfc电路中是提高pfc转换效率、抑制谐波分量和电磁干扰(emi)问题，提高pfc性能指标的一个重要研究方向1.2 功率因数校正技术的研究现状目前开关电源多数是通过整流器与电力网相接的，经典的整流器是由二极管或晶闸管组成的一个非线性电路，在电网中会产生大量的电流谐波和无用功功率而污染电网，使功率因数较低，一般仅为0.45-0.75，且其无功分量基本上为高次谐波。开关电源已成为电网最主要的谐波源之一。于是功率因数校正便应运而生。追求高质量的电力供需，一直是全球各国所想要达到的目标，然而大量的兴建电厂，并非解决问题的唯一途径，一方面提高电力供给的能量，一方面提高电气产品的功率因数（power factor）或效率，才能有效解决问题。有很多电气产品，因其内部阻抗的特性，使得其功率因数非常低，为提高电气产品的功率因数，必须在电源输入端加装功率因数修正电路提高功率因数主要有两个途径：一是使输入电流正弦化以尽可能的减小电流畸变因数；二是使输入电压电流同相位以尽可能地减小位移因数。解决以上问题的有效方法是在整流器与滤波电容之间加一级功率因数校正环节。抑制谐波，提高功率因数的传统方法是采用无源校正,即在主电路中串入无源lc滤波器。这种方法虽然简单可靠,但是体积大、重量大,难以得到非常高的功率因数,工作性能与频率、负载变化及输入电压变化有关，电感和电容间有大的充放电电流。有源功率因数校正技术(active power factor correction ,apfc) 是在整流电路和负载之间接入一个dc/ dc开关变换器，利用电流反馈技术，迫使交流输入电流跟踪交流输入电压变化，从而获得近乎正弦波的交流输入电流和接近于1的功率因数,同时还可以大大减小thd。方案应用了有源器件，故称之为有源功率因数校正。该方案的主要优点是可得到较高的功率因数，thd小，可在较宽的输入电压范围(如交流90264v) 和宽频带下工作，体积、重量小，输出电压恒定。目前单相的pfc 技术已经成熟，三相的pfc电路处于研制阶段1.3 主要研究内容本文在对国内外有源功率因数校正技术分析、研究的基础上，进行saber仿真对boost型有源功率因数校正器系统进行深入的研究。论文主要从以下几个方面展开研究：（1）概述功率因数校正技术的发展状况及其分类，本课题的研究目的及意义。（2）在论述有源功率因数校正基本原理的基础上，对有源功率因数校正器几种主功率拓扑进行分析和比较，并总结各自的优缺点；指出几种改进型功率因数校正主电路拓扑；并说明改进后电路的特性；对有源功率因数校正电路的控制策略进行了详细的分类阐述，总结各自的优缺点及适合的应用场合。通过分析比较确定本文研究的对象平均电流控制模式的boost型功率因数校正技术。（3）分析boost变换器各个环节的电压、电流的变化情况及电路波形。（4）对boost型pfc系统进行了仿真，并比较分析系统在功率因数校正前后的输入电压电流波形和输出电压波形的变化，结果验证本文的方法，设计boost型pfc电路的各参数可获得满意得效果，说明这种设计方法的合理性。第二章 单相功率因数校正的基本原理2.1 功率因数的基本概念2.1.1 功率因数的定义功率因数(pf)是指交流输入有功功率(p)与输入视在功率(s)的比值。即式中 表示输入基波电流有效值；表示输入总电流有效值；r=表示输入电流失真系数；表示基波电压与基波电流之间的相移因数，因此功率因数pf又可定义为输入电流失真系数(r)与相移因素()的乘积。2.1.2 功率因数pf与总电流谐波畸变(thd)的关系根据总谐波畸变的定义23式中为n次谐波电流有效值；因此功率因数（）的表达式可变换为=即 =由上式可以看出，可以采用两种方法来提高功率因数(pf)：一是就最大限度地抑制输入电流的波形畸变，使thd 值达到最小；二是尽可能地使电流基波与电压基波之间的相位差趋于零，使=l，从而实现功率因数校正。利用功率因数校正技术，可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形的变化，使输入电流呈纯正正弦波，并且和输入电压同相位。2.1.3 功率因数校正的分类pfc技术的主要方法可以分为无源pfc技术和有源pfc技术。无源pfc技术采用无源器件，如电感和电容组成的谐振滤波器，实现pfc功能，主要优点：简单、成本低及电磁干扰（emi）小等。主要缺点：难以得到高功率因数，低频时元器件尺寸和重量大，工作性能与频率、负载变化和输入电压变化有关，电感和电容间有大的的充放电电流等。有源pfc技术采用有源器件，如开关管和控制电路，通过控制开关管的动作，实现输入电流跟随输入电压波形的变化，从而获得高的功率因数。有源pfc技术主要优点：功率因数高，总谐波畸变（thd）小，输入电压工作范围宽，输出电压可保持稳定等；主要缺点是：电路复杂，成本增加，效率会下降。有源pfc技术已经广泛应用在ac-dc开关电源，ups电源，电子镇流器等电子仪器中4。2.2 有源功率因数校正的基本原理有源功率因数校正apfc(active power factor correction)的基本电路由两大部分组成：主功率电路和控制电路，如图2-1所示。其基本思想是：将输入的交流电压进行全波桥式整流，对得到的整流直流电压进行dc-dc变换。通过相应的控制(pwm调制)使输入电流平均值自动跟随全波整流电压基准，呈正弦波形，且相位差为零，使输入阻抗呈纯阻性，从而实现其功率因数为1。现有的apfc电路一般都采用双环控制，内环为电流环，用来实现dc-dc变换器的输入电流与全波整流电压波形相同：外环为电压环，可保持输出电压稳定，从而使dc-dc变换器输出端成为一个直流电压源。由图可见，输入电流经pwm脉冲宽度调制，使原来呈脉冲状的波形，被调制成接近正弦(含有高频纹波)的波形。在一个开关周期内，当开关导通时，电感电流等于开关导通电流。当开关关断时，流过开关的电流为零。含有高频纹波的输入电流，经过低通滤波网络，取每个开关周期内的平均值，则可得到较光滑的近似正弦波。图2-1 有源功率因数校正原理框图第三章 有源功率因数校正主电路方案论证有源功率因数校正电路由主电路和控制电路两部分组成。主电路通常有多种方案可供选择，但每种方案都有各自的特点，本章在分析了传统型boost单相功率因数校正电路在实际应用中存在的问题后，提出了三种主电路的拓扑结构，并分别说明了每种方案的优缺点，通过比较选出符合本设计要求的最佳方案。控制电路采用目前应用广泛的uc3854控制芯片，它的16管脚按照设计要求输出一定占空比的一连串脉冲信号来控制主电路中开关晶体管vt的导通与截止，从而将输入电流与输出电压的相位重新调整到同相状态，最终达到功率因数校正的目的。3.1单相功率因数校正电路在实际应用中的问题图3-1 boost有源功率因数校正器原理图升压(boost)型功率因数校正电路存在的问题：一般的单相功率因数校正(pfc)电路多采用图3-1的升压(boost)电路作为其主功率电路拓扑，这对于几百瓦的小功率的功率因数校正是较为成熟的技术。采用该电路构成的pfc电路结构简单，容易实现，但在实际应用中有下述需要解决的问题7：1. 开关管开通和关断损耗问题在图3-1所示电路中，功率开关管工作在硬开关方式下，所谓“硬开关”是指功率开关管的开通( turn-on )或关断(turn-off)是在器件上的电压或电流不为零的状态下进行的，即强迫器件在其电压不为零时开通，或电流不为零时关断。由于开关管不是理想器件，在开通时开关管的电压不是立即下降到零，而是有一个下降时间，同时它的电流也不是立即上升到负载电流，也有一个上升时间。在这段时间里，电流上升和电压的下降存在一个交叠区域，因此产生了开通损耗。开关管关断时，电压上升和电流下降同时进行，产生关断损耗。由于功率因数校正电路一般工作在较高频率下，因此开关器件的开通损耗和关断损耗会因开关频率的提高而增加。2. 二极管反向恢复问题二极管从导通变为截止存在着反向恢复期，在此期间，二极管仍处于导通状态，若立即开通与其串联的开关器件，容易造成直流电源瞬间短路，产生很大的冲击电流，轻则引起该开关器件和二极管功耗急剧增加，重则致其损坏。在图3-1所示电路中，当mosfet导通时，升压电感l储能，当mosfet关断时，l将储存的能量通过二极管释放到输出电容c(在功率因数校正电路中，c两端的电压约为200v)由于l工作于电流连续模式，所以当mosfet导通时，二极管d处于反向恢复状态，在反向恢复时间内，200v高电压通过接近短路状态的二极管直接加于mosfet的两端，使得mosfet开启瞬时有一个较大的峰值电流。对于小功率的功率因数校正电路，二极管的结温增加不多，反向恢复时间也增加不多。对于大功率的功率因数校正电路，容易造成二极管的结温升高，而结温的升高会导致反向恢复时间增加，这样峰值电流持续时间也随之增长，若结温进一步上升，则进入恶性循环，最终使开关管开启瞬时电流增至较大值，且持续时间不断增长，因而开关管和续流二极管极易损坏。二极管反向恢复时，还会在输入电流、输出电压上引入尖刺纹波噪声。尖刺纹波噪声的根源是二极管反向恢复电流过大引起的及寄生引线电感造成的，因此需设法解决或抑制由于二极管反向恢复而引起过大的，那么就可以有效的减小或抑制了尖刺纹波噪声。3. 容性开通问题在功率因数校正电路中，当开关器件在很高的电压下开通(200v)时，储存在开关器件(mosfet)结电容中的能量将全部耗散在mosfet的沟道上，不但造成容性开通问题，还可能引起mosfet过热损坏。4. 感性关断问题电路中总会存在感组元件(引线电感、杂散电感、变压器漏感等寄生电感或实体电感)，当开关器件关断时，由于通过该感性组件的很大，感应出很高的尖峰电压加在开关器件两端，易造成电压击穿。从以上分析可以得出结论：普通的升压型(boost功率电路不适宜于较大功率的功率因数校正应用电路。3.2 三种改进型单相功率因数校正主电路拓扑1. 带中心抽头的三点式升压电感电路28电路结构如图3-2所示。通过在升压电感的磁环上增加几匝线圈，使得mosfet的漏极不再直接和升压二极管相连，这样便可利用电感中的电流不能突变的特性来抑制升压二极管vd的反向恢复所带来的开关管过大的开启瞬时电流及电流冲击，还能抑制过大的开关管开启损耗引起的过热。此电路简单，易于实现。它的主要问题是无法解决二极管vd的反向恢复在输出电压下产生的较大尖刺纹波噪声，因此须在输出端通过增加一级lc滤波器来消除纹波噪声。图3-2带中心抽头的三点式升压电感电路2. 串联电感及rcd低损耗吸收电路和箝位电路在图3-3和图3-4所示电路中，通过增加电感来抑制升压二极管的反向恢复而产生的开关管冲击电流，但当mosfet关断时，在开关管上产生过电压须另外加以解决。图3-3串联电感及rcd低损耗吸收电路和箝位电路图3-4串联电感及rcd箝位电路图3-3中用，构成rcd低损耗吸收电路。它利用电容两端电压不能突变的特性来抑制因mosfet关断而由产生的过电压。二极管将开关管结电容上的过电压释放到200v输出端，有效的保护了开关管。图3-4中，构成箝位电路。由于在功率因数校正电路中，输出端用较大的电解电容滤波，因此输出端的电压基本保持在200v，这样就可利用二极管导通时具有的箝位特性来将开关管两端电压箝位在开关管的耐压范围之内。3. 串联肖特基二极管电路图3-5电路中的，均为肖特基二极管，利用肖特基二极管反向恢复时间快(小于10ns)的特点来抑制开关管的开启冲击电流。由于肖特基二极管的耐压较小，所以采用，的串联结构，这种结构也有利于减小开关管的开启冲击电流。但此电路对选用的肖特基二极管耐压及动静态特征的一致性要求较高。图3-5 串联肖特基二极管型电路3.3 方案比较以上介绍的几种主功率电路的拓扑，都可应用于大功率功率因数校正的场合。本设计的主电路要求电路结构简单，能够抑制开关管的开启损耗引起的过热提高系统的可靠性和稳定性同时降低电路中的尖刺纹波噪声。比较以上三种类型的主电路拓扑结构，第二种方案虽然能够抑制开关管两端过电压但电路结构复杂，第三种方案对肖特基二极管的耐压及静态特征抑制性要求较高，不利于系统运行地稳定性，第一种方法不但结构简单而且可靠性好。通过比较，本设计的主电路采用方案一即带中心抽头的三点式电感boost升压电路。第四章 系统仿真及分析本章对基于boost型的功率因数校正电路利用saber仿真软件进行仿真16，仿真电路采用优化的功率因数校正电路，主电路采用图4-5即带中心抽头的三点式电感boost升压电路，控制电路采用平均电流型控制芯片，各元器件参数值计算在第三章已详细介绍。通过仿真研究比较了仿真前后输入电压及输入电流波形，验证了功率因数校正器在电路中所起的作用。并对功率因数校正前后的系统仿真结果进行简要分析。4.1输入电压输入电流波形仿真图4-1未加入pfc时输入电压与输入电流波形图 图4-2加入pfc时输入电压与输入电流波形图图4-1为未加入pfc时系统输入电压和输入电流波形，很显然，其输入电流发生严重畸变，呈窄脉冲状，电流的畸变，由于电网阻抗反过来影响电网电压，造成总谐波畸变增大，输入功率因数低。可以看出，与图4-2系统加入pfc电路时相比，输入电流由窄脉冲波形变成严格的正弦电流波形，且与输入电压同相位，提高了功率因数。因此在pfc使用时，boost变换器可看作一个纯电阻。4.2 谐波分析图4-3 未加入pfc时输入电流谐波由电流谐波图可以看出在没有加入功率因数校正器时输入电流中含有大量的奇次谐波（3次，5次，7次），thd较高，电流质量较差，不利于功率因数的提高。图4-4加入pfc时输入电流谐波从上图中，可以明显看出：在加入pfc变换器后，电流以基波分量为主，其它奇次谐波得到有效的抑制，降低了电流的thd，供电质量提高，有利于提高功率因数。图4-5加入pfc时输入电压谐波由上图可见，加入功率因数校正器后输入电压的总谐波畸变率thd几乎为零，输入电压几乎是标准正弦波。图4-6加入pfc时输入电压波形通过输出电压波形可以看出在电路中加入boost变换器后输出电压得到提高满足设计指标200v的要求，并且在输出两个周期以后输出电压平滑，波动较小。利用saber仿真软件对输入电压输入电流进行50次谐波分析。将图5-3与图5-4比较，可看出输入电流的总谐波畸变率由原来的约45%左右降为接近为零。输入端总谐波畸变率明显的减小，输入功率因数明显的提高，实现能源的“绿色化”。达到了技术指标要求。对加入pfc电路进行傅立叶分析，得到电路部分参变量的thd%如下：电感电流 i(l.l1) 11.32直 流 i(v_dc.v_dc1) 9.33输入电流 i(v_sin.v_sin1) 0.25014.3 关键点波形图4-7 开关管vt的驱动信号uc3854的16管脚按照设计要求输出一定占空比的一连串脉冲信号来控制主电路中开关晶体管vt的导通与截止，从而将输入电流与输出电压的相位重新调整到同相状态，最终达到功率因数校正的目的。uc3854内部pwm栅极驱动信号的复位点由正弦调制的电流误差信号与振荡三角波信号的交点决定。显然，正弦调制的电流误差信号增加，则pwm栅极驱动信号脉宽增加，输出电压也随之增加。图4-7升压电感电流波形图5-7给出了升压电感的电流波形，从图中可以看出，电感电流平均值为近似正弦波。这是符合pfc的作原理的，但略有尖刺，主要发生于开关管vt的开启和关段瞬间。尤其是当vt开启时二极管d反向恢复引起的高频振荡尖刺较大。这可以通过加lc滤波器滤除。仿真结果证明：（1）boost型pfc实验装置可以达到预期效果，实现输入电流的整形，输出电压稳定，保证输入功率因数。（2）按本文的方法设计boost型pfc变换器的调节参数可获得满意的效果，说明这种设计方法的合理性。4.4 应用 protel 绘制原理图protel软件广泛用于设计印刷电路板（pcb），在对优化设计后的实验电路完成仿真后应用protel软件绘制原理图。图4-8功率因数校正电路原理图第5章 结束语前人研究功率因数校正技术的基础上，对升压型(boost)功率因数校正技术进行了分析和研究，总结仿真实践的经验，可以得到以下几点结论：1. 在控