W-PFC整流电源设计.doc

200w PFC整流电源设计摘 要摘 要 本次设计是采用高功率因数校正集成控制电路芯片UC3854和ZVT（零电压转换）软开关设计200W ZVT-PFC整流电源。 设计采用升压电路构成ZVT-PFC整流电源，主电路包括主开关S，二极管D，谐振电感L，谐振电容C等元器件共同构成ZVT电路，其中主开关S工作在零电压条件下开通。 上述主电路具有以下优点：1.主开关在零压条件下开通，快恢复二极管在零压条件下关断，可降低开关的损耗和开关的噪声。2.可抑制开关器件关断时所产生的尖峰电压。3.恒频工作。4.不需要阻容吸收电路。5.主开关与辅助开关源极同电位，驱动电路不需隔离，容易实现。 控制电路的设计是使用功率因数校正集成电路UC3854，这是平均电流控制模式，该装置具有一个软启动功能，并具有较高的参考电压和振荡器输出振幅，并且具有改善噪声容限和适用于功率较大场合的应用。 论文首先介绍PFC的工作方式及作用，根据PFC的特点应用到整流模块中，之后介绍电路的整流模块，对主电路和控制电路进行设计和分析，对主电路和控制电路相关物理量进行计算，看其是否符合性能要求。关键词：PFC 整流电源 功率因数校正- I -ABSTRACT ABSTRACTThe use of high power factor correction circuit chip UC3854 integrated control and ZVT (zero voltage switching) soft switch design 200W ZVT-PFC rectifier power.Design uses a boost circuit ZVT-PFC rectifier power supply, the main circuit as shown below where the main switch S, resonant inductor L, the resonant capacitor C, diode D and other components together constitute the ZVT circuit, so that the work of the opening of the main switch at zero voltage conditions.Said main circuit has the following advantages:1 opening of the main switch zero pressure, fast recovery diodes zero pressure off, can reduce switching losses and switching noise.2 inhibits switching devices off when the voltage spikes generated.3. Constant frequency operation.4 No RC snubber circuits.5 and the main switch with the source potential of the auxiliary switch, the drive circuit without isolation, is easy to achieve.Power factor correction control circuit uses IC UC3854, which uses average current control mode, the device has a soft start feature and has a high reference voltage amplitude of the oscillator output, improved noise tolerance of the device, suitable for large power occasions.Working paper introduces methods and the role of PFC, the application according to the characteristics of the PFC rectifier module, rectifier circuit after the introduction of the main circuit and control circuit design and analysis, the main circuit and control circuit related physical quantities are calculated, see if it meets the performance requirements.Keywords: PFC Rectifier Power Factor Correction- II -目录目 录摘要IABSTRACTII第一章 引 言11.1 课题的背景和意义11.2 PFC整流电源的发展11.2.1 国内发展现状21.2.2 国外发展现状21.2.3 整流电源在大功率场合的发展趋势21.3 课题研究方法和目标31.4 本章小结4第二章 PFC及整流电源52.1 AD-DC电路的输入电流谐波分量52.1.1 谐波电流对电网的危害52.1.2 AD-DA变流电路输入端功率因数52.1.3 对AD-DC电路输入端谐波电流限制62.2 功率因数62.2.1 功率因数的定义62.2.2 AD-DC电路输入功率因数与谐波的关系72.3 PFC72.3.1 PFC工作原理82.3.2 PFC的作用82.3.3 Boost有源功率因数校正器（APFC）的优缺点92.4 整流电源92.5 本章小结10第三章 整流模块主电路设计113.1 主电路原理113.1.1 ZVT-PWM变换器113.1.2 运行状态分析123.1.3 ZVT-PWM变换器的优点133.2 主电路谐振元件参数的选择143.3 整流模块主电路设计153.3.1 主电路分析153.3.2 主电路特点153.3.3 主电路电路图153.4 软开关技术163.4.1 硬开关技术的缺点173.4.2 软开关电路的分类173.5 本章小结19第四章 整流模块控制电路的分析204.1 驱动电路设计204.2 UC3854204.2.1 UC3854工作原理214.2.2 UC3854的特性224.3 控制电路设计244.4 控制电路原理图244.5 本章小结25第五章 保护电路的设计265.1 起动浪涌抑制265.1.1 起动浪涌抑制设计265.1.2 起动浪涌抑制电路图265.2 欠压和过压保护265.2.1 欠压和过压保护设计265.2.2 欠压和过压保护电路图275.3 过流保护275.4 本章小结28结论与展望29参考文献30致谢32附录：整机电路图33- IV -第一章 引言 第一章 引 言1.1 课题的背景和意义随着电力电子器件，拓扑和控制技术的发展，现代电子技术日益成为一个高效率，常规设备和产业升级的关键技术转型的重要手段，正成为我国国民经济和国防的重要基础技术支撑。在电解，电镀，金属着色，电泳电化学工业中，需要各种高功率和超高功率直流或脉冲电源，电源设备和装置在电力电子技术领域已被广泛使用，它们各自的长期性能直接关系到生产的产品的质量，成本和生产效率重要方面。常规电化学电源主要是用频率变压器及其他电器元件以及晶闸管或二极管整流桥的配置，且当前的技术是成熟的，稳定的和可靠的，它已被广泛应用。但随着人们对生产工艺、生产效率以及能耗水平的要求不断提高，传统电源凸显出许多不足之处。因此，高效的供电单元是发展的必然趋势，而高频化的电源是提高效率的主要途径。1.2 PFC整流电源的发展随着电力电子器件，拓扑和控制技术的发展，现代电子技术日益成为一个高效率，常规设备和产业升级的关键技术转型的重要手段，正成为我国国民经济和国防的重要基础技术支撑。在电解，电镀，金属着色，电泳电化学工业中，需要各种高功率和超高功率直流或脉冲电源，电源设备和装置在电力电子技术领域已被广泛使用，它们各自的长期性能直接关系到生产的产品的质量，成本和生产效率重要方面。常规电化学电源主要是用频率变压器及其他电器元件以及晶闸管或二极管整流桥的配置，且当前的技术是成熟的，稳定的和可靠的，它已被广泛应用。但随着人们对生产工艺、生产效率以及能耗水平的要求不断提高，传统电源凸显出许多不足之处。因此，高效的供电单元是发展的必然趋势，而高频化的电源是提高效率的主要途径。 1.2.1 国内发展现状常规电化学电源主要用于高频变压器及其他电器元件以及晶闸管或二极管整流桥的配置，且现在的技术是成熟的，稳定的和可靠的性能，已被广泛使用。但是，随着生产技术，生产效率，能源消费水平的提高，传统能源凸显许多不足之处。首先，这些设备的功率消耗高，效率低;其次，由于工频变压器，整个装置体积庞大;此外，铜，铁等原料资源日趋紧张，增加了设备的总成本;更重要的是：对于设备的控制来说精度会有所降低，而且它们缺乏过程控制、科学合理有效的管理手段，也是大量的电力损耗原因之一。 近年来，国内和国外先后已经探索出可以在低压领域应用的电化学电源。与传统的整流电源相比较，具有效率高，重量轻，体积小，良好的动态性能等。因此，在今后的时间里基于大功率开关电源的电化学电源会得到广泛应用，是目前主流的研究方向。 1.2.2 国外发展现状 泰国麦汉可(Mahanakor)大学电气学院的STrerutpicham和蒙卡特学院(Mongkut)的SPotikjkul研制出输入电压220V、输入电压频率50Hz，它的输出电压是5KV、电流1A、逆变频率为200KHz、工作效率80以上的高频电源。日本松下电气和Yamoguchi学院的HTerai、THiyaehi利用单相半桥逆变和软开关技术，为大功率感应加热炉研制出逆变频率20KHz，输出功率为2KW的直流电源。 1.2.3 整流电源在大功率场合的发展趋势今天，对于开关电源处于低功率的领域中有最重要的市场，但在更高功率领域中，开关电源具有明显的优势。随着开关电源技术在中等功率的新的发展和应用将会有更好地发展。高频，体积小，效率高，无污染，模块化是对于今天的开关电源转换技术发展的总结。1)高频化、小型化高频开关电源技术是创新的电源转换技术。它是为了尽可能的减小高频电源的体积、重量，提高功率密度的重要技术手段。开关电源体积，重量，初级（磁性元件和电容）由能量存储元件来确定，因此，在本质上小型化的开关电源是最小化存储元件的体积。在一定范围内，较高的开关频率，不仅可以有效地降低电容，电感，以及变压器的大小，最重要的是可以抑制干扰，提高电力系统的动态性能。因此，它是高频开关电源的主要发展方向。2)高效率由于电源效率是非常重要的主要指标之一。高频率的结果是开关损耗显著增加。因此，自80年代末，软开关电源变换技术研究一直是一个热门话题。软开关技术在理论上允许的开关损失被减少到零。事实上，它可以从80呈现各种电源模块的转换效率到90，达到了高频率，高效率的功率转换。3)无污染很多电力电子的广泛应用的，对输入电源谐波电流有很大的提高，功率因数大大降低，从而使供电网络显著污染。该开关电源电路的输入通常是一个二极管整流器电流滤波，且仅为0.6-0.7交流侧的功率因数输入电流脉冲的组合。1.3 课题研究方法和目标课题采用高功率因数校正集成控制电路芯片UC3854和ZVT（零电压转换）软开关设计200W ZVT-PFC整流电源。设计采用升压电路构成ZVT-PFC整流电源，主电路由主开关S，谐振电感L，谐振电容C，二极管D等元器件共同构成ZVT电路，使主开关工作在零电压条件下开通。控制电路采用精密的功率因数校正集成电路UC3854，它采用平均电流控制模式，该设备有一个软启动功能，并具有较高的基值电压和振荡器输出幅值，不仅是提高了装置的噪声容限，而且是适合于功率放大场合。通过整流模块实现输入电压218V-257V ，输出电压400V，额定功率200W，额定功率因数大于0.95。1.4 本章小结这一章主要介绍了这一课题的研究背景，目的以及意义，随着经济的发展以及电力电子技术的日趋成熟，大功率整流电源将被更广泛的应用。这一小结里确定了整体的设计思路，课题采用高功率因数校正集成控制电路芯片UC3854和ZVT（零电压转换）软开关设计200W ZVT-PFC整流电源。设计采用升压电路构成ZVT-PFC整流电源，主电路如下图其中主开关S，谐振电感L，谐振电容C，二极管D等元器件共同构成ZVT电路，使主开关工作在零电压条件下开通。控制电路采用精密的功率因数校正集成电路UC3854，它采用平均电流控制模式，该设备有一个软启动功能，并具有较高的基值电压和振荡器输出幅值，不仅是提高了装置的噪声容限，而且是适合于功率放大场合。- 32 -第二章 PFC及整流电源第二章 PFC及整流电源2.1 AD-DC电路的输入电流谐波分量从220V交流电网接入交流电经过整流供给设备直流电是电力电子技术及电子仪器中比较普遍的一种方案。例如，在输入离线开关电源，交流电源的全波整流后，一般取一个大电容，以获得一个直流电压波形相对平坦的整流器 - 电容滤波电路是非线性元件和存储元件的组合。因此，虽然输入交流电压Vi是正弦的，但输入波形交流电流Ii是严重失真，表示脉冲形状。由此可见，大量应用整流电路，要求电网供给严重畸变的非正弦电流，造成的严重后果是：谐波电流对电网有危害作用，输入端功率因数下降。 2.1.1 谐波电流对电网的危害 脉冲状的输入电流，含有大量谐波，一方面使谐波噪声水平提高，同时在AD-DC整流电路的输入端必须增加滤波器，造成成本，体积，重量均增加。大量电流谐波分量倒流入电网，造成对电网的谐波污染。一方面产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波电压降，反过来使电网电压也会发生畸变；另一方面，会造成电路故障，使变电设备损坏。例如线路和配电变压器过热；谐波电流会引起电网LC震荡，或高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过流，过热而爆炸；在三相电路中，中线流过三线三次谐波电流的叠加，使中线过流而损坏，等等。 2.1.2 AD-DA变流电路输入端功率因数 由于谐波电流的存在，使AD-DC变流电路输入端功率因数下降，负载上可以得到的实际功率减少。脉冲状的输入电流波形，有效值较大而平均值小。所以电网输入伏安数大，负载功率却较小。就像下图电路中，设置输入正弦电压有效值为Vi=230V，输入非正弦电流有效值为Ii=16A时，输入伏安数为ViIi=3680VA,而负载功率只有2000W，当电路的效率为95%时，其输入功率因数可计算得出2000/3680*0.95=0.516。一般下图电路的输入功率因数为0.550.65.如果采取适当措施，使上图电路的输入电流为正弦，则输入功率因数可接近1，而负载功率可达3500W。图2-1 2.1.3 对AD-DC电路输入端谐波电流限制 为了减少AD-DC变流电路输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波“污染”，以保证电网供电质量，提高电网的可靠性；同时也为了提高输入端功率因数，以达到节能的效果；必须限制AD-DC电路的输入端谐波电流分量。2.2 功率因数 2.2.1功率因数的定义 电工原理中线性电路的功率因数习惯用表示为正弦电压与正弦电流间的相位差。由于整流电路中二极管的非线性，尽管输入电压为正弦，电流却为严重非正弦，因此线性电路的功率因数计算不再适用于AD-DC变流电路。用PF表示功率因数。定义 PF=有功功率/伏安=P/VI 那么我们设AD-DC变流电路的输入电压Vi（有效值为V）为正弦，而设定输入的电流为非正弦，其有效值为 (2.1) 在式中I1、I2.In分别为电流基波分量，二次谐波，n次谐波电流的有效值。 设基波电流i1落后Vi，相位差为，则有功功率和功率因数可表示为 (2.2) (2.3)式中I1/I表示基波电流相对值（以非正弦电流有效值I为基值），称为畸变因数，即功率因数为畸变因数和位移因数的乘积。当时，。 2.2.2 AD-DC电路输入功率因数与谐波的关系定义总谐波畸变（THD） (2.4)Ih为所有谐波电流分量的总有效值。由式（2.3），（2.4）可得畸变因数 当时 (2.5)由式（2.5）所得计算值与实测值的对比如下表表2-2 计算值与实测值的对比表 PF0.58120.99030.9950.998750.99955THD%(计算值)140141053THD%(实测值)1074.27由表可见，当时，PF值可控制在0.999左右。2.3 PFC介绍 2.3.1 PFC基本介绍 PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，是治理谐波的一种有效方法。意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值。 基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种，一种为被动式PFC（也称无源PFC）和主动式PFC（也称有源式PFC）。被动式PFC一般分“电感补偿式”和“填谷电路式”，“电感补偿式”是使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，“电感补偿式”包括静音式和非静音式。“电感补偿式”的功率因数只能达到0.70.8，它一般在高压滤波电容附近。“填谷电路式”属于一种新型无源功率因数校正电路，其特点是利用整流桥后面的填谷电路来大幅度增加整流管的导通角，通过填平谷点，使输入电流从尖峰脉冲变为接近于正弦波的波形，将功率因数提高到0.9左右，显著降低总谐波失真。与传统的电感式无源功率因数校正电路相比，其优点是电路简单，功率因数补偿效果显著，并且在输入电路中不需要使用体积大重量沉的大电感器。主动式PFC则由电感电容及电子元器件组成，体积小、通过专用IC去调整电流的波形，对电流电压间的相位差进行补偿。主动式PFC可以达到较高的功率因数通常可达98%以上，但成本也相对较高。此外，主动式PFC还可用作辅助电源，因此在使用主动式PFC电路中，往往不需要待机变压器，而且主动式PFC输出直流电压的纹波很小，这种电源不必采用很大容量的滤波电容。 2.3.2 PFC工作原理PFC的工作原理如下：主电路的输出电压为Vb和基准电压Vr比较后，输入给电压误差放大器VA，整流电压检测值和VA的输出电压信号共同加到乘法器M的输入端，乘法器M的输出则作为电流反馈控制的基准信号，与开关电流Is检测比较后，经过电流误差放大器CA加到PWM发生器，以控制开关的通断，从而使输入电流（即电感电流）的波形与整流电压的波形基本一致，使电流谐波大为减少，提高了输入端功率因数，由于功率因数校正器同时保持电压输出恒定，使下一级开关电源设计更容易些。图2-2 2.3.3 PFC的作用 作用是节省能源!就是说让电网中的能源尽可能被100%利用,但是实际中做不到,但可以接近,比如PFC 99% 等,也就是说有用功越多越好,无用功越小越好。 功率因数低,谐波含量太高,对电网的冲击就大,严重时会影响到其他电器的正常工作。 1 由于设备中有电容,电感,变压器等器件使电压和电流不同步,这样出现无功功率, 2 由于开关管,整流器等作用,输出电流中有畸变,谐波含量比较大,这样导致功率因数下降. 它的危害是显然的,主要是对电网以及电器设备及器件的冲击力很大,容易毁坏器件。 而无源PFC只是在器件的前端和后端分别用差模和共模来滤波,这样加L,C导致体积很大,而且功率因数只能达到0.85左右;而APFC采用DC-DC用控制电路使输入电流跟随输入电压,而且调整输入电流畸变程度。 PFC一个作用就是减少电网的谐波污染。 2.3.4 升压有源功率因数校正（APFC）的优点和缺点 由于本设计采用Boost有源功率因数校正器进行设计所以主要介绍其优缺点。优点:（1）输入电流连续，EMI小，RFI低。（2）输入电感，可减少输入滤波要求，并可防止电网对主电路高频瞬态冲击。（3）输出电压大于输入电压峰值，在有些城市和地区例如对市交电100V比较适合。（4）S电压不超过输出电压的值。（5）开关器件S的电压不超过输出电压值。（6）可以在国际的标准内正常的使用。缺点:（1）输入，输出间没有绝缘隔离。（2）在电路开关S，二极管D以及输出电容器形成杂散电感， 25-100kHz PWM频率下，这是危险的过压，开关S形成不利的影响。2.4 整流电源 整流电源是提供大直流电流、直流电压的装置。工艺是将交流电经过整流变压器把电流整成需要的电流（A）以8000A/30V为例。交流380V进入整流变压器，变压器输出是交流8000A/30V（因很多场合需要大直流电流当作电解电流）所以还得将交流8000A/30V经过可控硅整成直流8000A/30V。通过控制可控硅导通角的角度来控制可控硅中电流通过的大小，所以，额定8000A/30V的整流电源，可以输出从0A-8000A的电流和0V-30V的电压。其值可以根据需要所定。整流电源一般多用于电解铜矿、锌矿等有色金属。还可电解水来产生氢气。2.5 本章小结 本设计利用PFC对整流电路进行功率因数的校正，PFC的英文全称为“Power Factor Correction”，是治理谐波的一种有效方法。意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值。 基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。整流电源是提供大直流电流、直流电压的装置。工艺是将交流电经过整流变压器把电流整成需要的电流。第三章 整流模块主电路设计第三章 整流模块主电路设计3.1 主电路原理本设计采用升压电路构成ZVT-PFC整流电源，电路由辅助开关S，谐振电感Lr，谐振电容Cr，二极管D等元件共同组成ZVT电路，使主开关工作在零电压条件下开通。 3.1.1 ZVT-PWM变换器谐振网络与主开关并联的零电压开关-PWM变换器，称为零电压转换，简称ZVT-PWM变换器。Boost型ZVT-PWM变换器电路如下图。从图中可以看出，在主开关Tr上除并联有谐振电容Cr外，还并联一个谐振电感支路，由谐振电感Lr，辅助开关Tr1及二极管D1共同组成。辅助开关Tr1在主开关Tr之前开通，让谐振网络开始导通，使主开关电压为零，制造除主开关零电压导通的条件。如果另输入电感很大，那么可以用恒流电源取代它，输出端电压能够用恒压源取代。下图为Boost型ZVT-PWM变换器一个时间周期内各主要电量的波形图。 图3-1 Boost型ZVT-PWM变换器一个时间周期内各主要电量的波形图假设tT0时，主开关和辅助开关都处于关断状态，二极管D处于导通状态，在一个时间周期内Boost型ZVT-PWM变换器可分为七中运行状态，表3-1 Boost型ZVT-PWM变换器运行状态表 状态1234567 时间段 特征直线上升 谐振ZV开通下降恒流线性充电 续流 off offoffon on on off off on on on off off off off 下降到0000上升到 000上升到 00 3.1.2 运行状态分析1.T0T1 Lr电流呈线性增加的阶段 t=T0，辅助开关Tr1导通，谐振电感电流ilr呈线性增加，t=T1时刻电流达到Is，二极管电流Id却从Id开始呈线性下降，在t=T1时刻电流下降到0，二极管D在零电流状态下关断，如果采用快速恢复二极管，那么就可以忽略二极管的反向恢复电流，在这个阶段中Vds不发生变化。2. T1T2 谐振阶段 谐振电容及谐振电感谐振，谐振电感电流ilr谐振上升，但是电压Vds从V0开始谐振下降。在t=T2时刻，Vds=0，主开关的反并联二极管开始导通。3. T2T3主开关ZV导通 由于Tr的体二极管已经处于导通状态，创造出了ZVS条件，所以应该利用这个机会，在t=T3时刻给主开关加上一个驱动信号，另主开关在零电压条件下导通。4. T3T4 ilr呈线性下降的阶段 t=T3时刻，辅助开关不导通，由于二极管D1处于导通状态，辅助开关的电压被钳在V0这个值上，谐振电感的储能释放给负载，其电流呈线性下降。在t=T4时刻，ilr为零。5. T4T5 ids保持不变的阶段 在t=T4时刻，二极管D1关断，这个时候Boost ZVT-PWM变换器就和Boost型PWM变换器的开关管导通的情况是相同的，这时ids=Id。6. T5T6 电容呈线性充电的阶段 在t=T5时刻，主开关不导通，恒流电流源对谐振电容进行线性充电，一直延续到t=T6时刻，此时Va=V。7. T6T0 续流阶段 这个阶段如同Boost型PWM变换器开关管关断的情况是相同的，这个阶段Boost型PWM变换器开关管处在续流状态中，一直延续到t=T0这个时刻。下一周期开始。 3.1.3 ZVT-PWM变换器的优点 由以上运行模式分析可以得出，ZVT-PWM变换器的主要优点有以下几个方面： 1.主开关零电压状态下导通而且保持固定频率运行。2.二极管D能够零电流截止，因此在功率因数有源校正装置等输出大功率，高电压（如220V）的情况下运用这个技术，能够有效地避免因为二极管反向恢复另关断损耗过大的问题。3.开关管电流和电压应力小。由上面波形图可知，在理论上电流ids，电压Vds的波形为方波，在一个时间周期内谐振时间是很短的。4.在比较宽的电源电压和负载电流变化范围内可以满足ZVS（零电压开关）条件。3.2 主电路谐振元件参数的选择 根据前面的原理分析，要实现主开关在零电压条件下导通，必须在主开关内反关联二极管导通之后才能给主开关施加门极信号。为了保证ZVT开关的实现，主开关开通必须要比辅助开关的导通延时一段时间td并且td、必须满足以下条件: （3.1） 其中，为电感电流I从快恢复二极管D向辅助开关转换所需要的时间，则 （3.2） （3.3)，为电容是电压谐振降为零所需要的时间。设谐振周期为T.，则 （3.4）于是有: 在设计时，首先选择谐振频率 。fr的选择要合适，不宜太高，也不宜太小。如果fr太高，则谐振电流峰值较大。如果fr选择太小，则因开关频率与谐振频率接近，从而引起占空比丢失严重，造成电源特性变差，引起输出电压不稳、输入电流谐波含量增大。一般fr的选择为开关率的5-10倍左右。谐振电容也应选择合适。虽然Cr较大对降低主开关关断损耗有利，但Cr增大会引起谐振电流增大，从而会增长辅助开关管电流峰值。根据实际经验，一般Cr，应小于10nF，确定fr和Cr之后，便可计算的Lr的大小。 谐振元件参数选择确定后根据最大电感电流iim来计算td。为了可靠保证ZVT开关的实现，实际延时td要比理论值大1.11.2倍。 根据前面介绍的电路原理，研制出200WPFC整流电源，其开关频率为100kHz，输入交流电压为218V-257V，输出的直流电压为400V。 元器件主要参数如下：电感L为0.35mH，输出电容为（470uF/450V）3，主开关为LRFP460，辅助开关为IRFP450。两个快恢复二极管为DSEI12-10A，谐振电感为15uH,谐振电容为4nF。3.3 整流模块主电路分析 3.3.1 主电路分析本设计采用升压电路构成ZVT-PFC整流电源，电路由辅助开关S，谐振电感Lr，谐振电容Cr，二极管D等元件共同组成ZVT电路，使主开关工作在零电压条件下开通。在主开关Tr上除并联有谐振电容Cr外，还并联一个谐振电感支路，由谐振电感Lr，辅助开关Tr1及二极管Dr共同组成。辅助开关Tr1在主开关Tr之前开通，让谐振网络开始导通，使主开关电压为零，制造除主开关零电压导通的条件。如果另输入电感很大，那么可以用恒流电源取代他，输出端电压能够用恒压源取代。 3.3.2 主电路特点 根据上面的分析，设计采用的主电路具有以下的优点1. 主开关在零电压状态下开通，快恢复二极管在零电压条件下关断。可以有效地减少开关过程中造成的损耗以及开关过程中产生的噪声。2. 可以抑制开关器件在关断的时候产生的尖峰电压。3. 能在恒定频率下工作。4. 不需要阻容吸收电路。5. 主开关和辅助开关源极的电位相同，驱动电路不需要进行隔离，容易实现。 3.3.3 主电路电路图图3-2主电路电路图3.4 软开关技术为了克服硬开关电路的问题，通过增加小电感器，电容器和其它元件，构成一个辅助换相网络，引进谐振过程之前和的切换处理后，通过开关元件开口之前电压降低至零或关闭电流降低至零，然后才可以消除重叠电压和电流的切换期间，减少其变化率，从而大大降低或甚至消除开关损耗和开关噪声，即所谓的软开关电路电路。 图3-3 开通过程图3-4 关断过程 由上图可知，软开关的开关过程包括软开通和软关断。其中软开通又包括零电压开通和零电流开通；软关断包括零电压关断和零电流关断。即通过实现开关管的几种软开关方式可以减小硬开关的开关损耗。使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声，这种开通方式为零电压开通；使开关关断前电流为零，则开关关断时也不会产生损耗和噪声，这种关断方式称为零电流关断。在很多情况下，不再指出开通或关断主要依靠电路中的谐振来实现。与开关并联的的电容能延缓开关关断后电压上升的速率，从而降低关断损耗，有时称这种关断过程为零电压关断；与开关相串联的电感能延缓开关开通后电流上升的速率，降低了开通损耗，有时称之为零电流开通。但简单的在硬开关电路中给开关并联电容或串联电感，不仅会降低开关损耗，还会带来总损耗增加、关断过电压增大等负面问题，是得不偿失的，因此常与零电压开通和零电流关断配合应用。 3.4.1 硬开关技术的缺点 在开关过程中，电压和电流不为零，因此出现重叠，可以产生较大的开关损耗和电压、电流变化率很快，波形会出现明显的超调，产生开关噪声和开关过程称为硬开关。 在许多开关电路，开关器件在高电压或大电流条件下工作，由门极控制其开启或关闭。所谓的硬开关是开关电压和电流不为零，所以有一个重叠区域，从而导致产生的开关损耗。与电压和电流的波形变化快，具有明显的超调量和振荡，因此导致了开关噪声的产生。由于硬开关特性，开关过程可以产生较大的开关损耗和开关噪声.随着开关频率的提高，开关损耗会增加，从而导致开关电路的效率减少，因为热量的增加，温度的增加，阻碍了开关频率的提高：噪声电路带来严重的电磁干扰，对周围电子设备的正常运行。 3.4.2 软开关电路的分类从软开关技术被提出，通过不断的发展和完善，而且，直到现在，仍不断有新的软开关拓扑。由于软开关电路的种类繁多，各有其自身的特点和适合的应用，有必要对电路分类。根据电路中主开关器件零电压或零电流关断，软开关电路可分为零电压零电流电路。根据软交换技术的发展，软开关电路可以分为准谐振电路，零开关PWM电路和零转换PWM电路。a准谐振电路(1)零电压开关准谐振电路；(2)零电流开关准谐振电路；(3)零电压开关多谐振电路；(4)用于逆变器的谐振直流环节电路。b零开关PWM电路这类电路的原理是增加辅助开关对起始时刻进行谐振控制，从而使谐振仅发生在开关过程的前后阶段。零开关PWM电路大致可以分为以下两种：(1)零电压开关PWM电路；(2)零电流开关PWM电路。与准谐振电路相比，零开关PWM电路有很多优点：从波形上看电压和电流基本上都是方波，只是上升沿和下降沿比较缓慢，开关承受的电压明显降低，电路可采用开关频率固定的PWM控制方式。c零转换PWM电路这类软开关电路与零开关PWM电路相同，还是增加辅助开关对起始时刻进行谐振控制。不同之处是，由于谐振电路与主开关采用并联方式，因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响很小，电路在很大的输入电压范围内并从空载到满载都可以正常工作在软开关状态。而且电路中无功功率的交换减少到最小，从而使电路的效率得到了进一步提高。零转换PWM电路大致可以分为以下两种：(1)零电压转换PWM电路；(2)零电流转换PWM电路。3.5 本章小结本章主要介绍软开关技术以及软开关技术在电路中的应用，由于硬开关在某些发面上的技术缺陷，提出软开关技术，软开关技术的广泛应用克服了硬开关在很多开关电路中产生高损耗，噪声大的缺点，由于硬开关的特性，其开关过程会产生较大的开关损耗和开关噪声。随着开关频率的提高，开关损耗会随之增加，致使开关电路的效率下降。由于发热量增大，温度升高，阻碍了开关频率的提高：开关噪声给电路带来严重的电磁干扰问题，影响周边电子设备的正常工作。第四章 整流模块控制电路的分析第四章 整流模块控制电路的分析4.1 驱动电路设计 本设计中，整流模块的控制电路应用功率因数校正集成电路UC3854，这个集成电路应用的是平均电流的控制方法，UC3854这个期间具有软起动特性，且具有很高的基准电压（7.5V）和振荡器输出幅值（5V），这样可以有效地提高器件的噪声容限，非常适合在比较大的功率场合里面应用。和采用UC3854构成的硬开关PFC控制电路的不同之处在于它们的驱动电路有所不同。驱动电路是电力电子主电路与控制电路之间的接口，是实现主电路中的电力电子器件按照预定设想运行的重要环节。同开关电源的可靠性、效率性等性能密切相关。采用性能良好的驱动电路，可以使电力电子器件工作在较为理想的开关状态，缩短开关时间，减小开关损耗。因此驱动电路对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要的影响。12 驱动电路的基本任务是将控制电路发出的信号转换为加在电力电子器件控制端和公共端之间、可以使其开通或关断的信号。同时驱动电路通常还具有电器隔离及电力电子器件的保护等功能。电器隔离是实现主电路及控制电路间电量的隔离，在含有多个开关器件的电路中，电器隔离通常是保证电路正常工作的必要环节，同时电器隔离可以减少主电路开关噪声对控制电路的影响，并提高控制电路的安全性。电器隔离一般采用光隔离(如光耦合器)或磁隔离(如脉冲变压器)来实现。 本设计中，整流模块的控制电路应用功率因数校正集成电路UC3854，这个集成电路应用的是平均电流的控制方法，UC3854这个期间具有软起动特性，且具有很高的基准电压（7.5V）和振荡器输出幅值（5V），这样可以有效地提高器件的噪声容限，非常适合在比较大的功率场合里面应用。4.2 UC3854UC3854是一种有源功率因数校正的一种专用的控制电路，它能够完成升压变换器校正功率因数需要的一切控制的能力，能够让功率因数达到99%以上，输出电流的波形失真达到不足5%，UC3854利用的是平均电流型的控制方式，这种控制能够让控制精度极高，开关过程中产生的噪声很低。利用UC3854构成功率因数校正电路后，当输入电压在85V和260V这个范围之间发生变化时，输出电压依然能够保证稳定，所以可以当做AD/DC稳压电源。图4-1 4.2.1 UC3854工作原理 图4-1的左上角是低压锁定比较器和ENA比较器，这两个比较器的输出保证具有驱动功能。电压误差放大器的反相输入（Vsense）连接于PIN11。电压误差放大器周围的二极管是表示内部线路的功能，而不是实际的设备装置。方框图所示的二极管是理想的二极管，表示在正常操作条件下电压误差放大器的同相输出连接于7.5V的参考电压，此电压也利用于缓开功能。该结构使得在输出电压达到操作点之前，主电压控制环开始工作，以消除使电源受到损坏的尖峰冲击。在PIN11和误差放大器的反相输人端之间接人的二极管也是理想二极管，对额外二极管上的电压降不会影响实际结果。 PIN7是电压误差放大器的输出Vaout端，它也是乘法器的输人端。乘法器的另一个输人（IAC）在PIN6，它是来自于输人整流后的调节信号的斜率，并保持6V的电位和一个电流的输人。前馈输人电压Vff在PINS，它的值在进人乘法器的输入端前，被进行平方运算。PIN12的设置电流是用来限制乘法器的最大输出电流。乘法器的最大输出电流称为Imo，从PIN5流出(PIN5连接于电流误差放大器的同相输人端)。 电流误差放大器的反相输入联到PIN4(Isense)，电流误差放大器的输出连接到PWM发生器，与PIN14的三角波进行比较。PWM发生器输出和振荡器连接到R一S触发器，从R一S触发器输出大电流到PIN16。在UC3854内部将输出电压钳位在15V，这样功率MOSFET不会有门极过压驱动风险。在PIN2提供紧急峰值电流极限，通过快速拉升来关闭输出脉冲。参考电压被连接到PIN9。UC3854的电源被连接到PIN15。在上图所示的UC3854方框图中可以看到，UC3854有一个乘法器和一个除法器，其输出为AB/C，而C为前馈电压U8的平方。之所以要除C，是为了保证在高功率因数的条件下，使APFC的输人功率P不随输人电压Un有变化而变化。在应用中应注意:前馈电压中任何10OHz纹波进入乘法器都会和电压误差放大器中的纹波叠加，从而增加波形失真，也会影响功率因数的提高。另外，前馈电容Cf，的取值大小也会影响功率因数。4.3 控制电路设计 本设计中控制电路利用功率因数校正集成电路UC3854，它采用平均电流控制方式，该器件具有软起动特性且具有较高的基电压与振荡器输出幅值，提高了器件的噪声容限，适用于功率较大的场合。相对于较大功率的整流电源来说，主电路的主开关和辅助开关通常采用两个MOSFET元器件并联在一起，这样可以让栅极输入电容增加，这样可以另栅极驱动信号下降沿变得平缓，让关断的时间延时很长时间，这样会造成较大的开关损耗。这个设计应用栅极驱动加速电路，这样就可以提高器件的关断速度，如下图，当器件关断的时候，三极管会饱和导通，这样就增加了栅极电容放电的速度，这样就提高了器件的关断速度，减少了关断过程中带来的损耗。 图4-2 驱动电路4.4 控制电路原理图图4-3 整流模块控制电路电路图4.5 本章小结 本章主要介绍整流模块控制电路，设计中控制电路应用功率因数校正集成电路UC3854，它采用平均电流控制方式，该器件具有软起动特性且具有较高的基电压与振荡器输出幅值，提高了器件的噪声容限，适用于功率较大的场合。第五章 保护电路的设计第五章 保护电路的设计5.1 起动浪涌抑制 5.1.1 起动浪涌抑制分析在电路起动前，V0=0。如果突然对电路进行通电，一方面会产生非常强大的起动冲击电流，在另一方面，由于谐振电感L和输出电容C0谐振。输出电容C0的输出电压可能会达到输入电压的峰值的两倍。例如输入电压的有效值是270V，那么输出电压可能会达到740V，起动过程中所产生的高电压和大电流将会导致开关管的损坏，所以必须要对起动浪涌电压和电流进行抑制。通常情况下会有两种方法抑V0制起动浪涌。一种方法就是在输入端串联接入负温度系数的热敏电阻，这种方法一般情况下都是在功率较小的电源中进行使用。第二种方法就是利用在输入电路里进行串电阻起动，第一部是