电力电子课程设计-直流升压斩波电路.doc

安阳师范学院课程实践报告书安阳师范学院课程实践报告书 电力电子课程实践电力电子课程实践 直流升压斩波电路直流升压斩波电路 作作 者者 系（院）系（院） 物理与电气工程学院物理与电气工程学院 专专 业业 电气工程及其自动化（专升本）电气工程及其自动化（专升本） 年年 级级 20142014 级级 学学 号号 指导教师指导教师 日日 期期 20152015 1 摘要 将交流 220V 电网电压经整流后再提供直流是现实单相电源应用中较为广泛的变流 方案，由于传统的二极管或晶闸管整流器会对电网产生谐波电流而危害电网，引起输 入端功率因数下降，对电网造成污染；因此有源功率因数校正（APFC）技术得到了迅 速的发展。它是在桥式整流器与输出电容器之间加入一个功率因数校正变换电路，它 将整流器的输入电流校正成为与电网电压同相位的正弦波，消除了谐波和无功电流， 因而能将电网功率因数提高到近似为 1。交流输入电压经桥式整流后，得到全波整流电 压，经 DC/DC 变换后，再经过控制器使线路电流的平均值能自动跟随全波整流电压基 准的变化，并获得稳压的直流高电压输出，最终给负载提供直流电压源。 本文通过对功率因数校正电路的现状与发展进行简单的介绍，然后讨论了什么是功 率因数以及功率因数的计算、功率因数校正的原理、功率因数校正电路的种类、有源 功率因数校正电路的原理以及元器件 L6562 的简单介绍；最后设计出基于 L6562 升压 式有源功率因数校正电路。 关键词：有源功率，升压式，L6562 2 目目 录录 摘要摘要.1 1.功率因数校正的现状及发展功率因数校正的现状及发展.3 1.1 功率因数校正的现状3 1.2 无桥 PFC 电路3 1.3 软开关功率因数校正电路4 2.设计原理设计原理.4 2.1 功率因数 4 2.2 有源功率因数校正电路 6 2.2.1 有源功率因数校正电路的原理6 2.2.2 有源功率因数校正电路的分类7 3.元器件的选择元器件的选择10 3.1 L6562 简介 .10 3.2 L6562 芯片电路图 .11 4.电路的设计电路的设计12 4.1 基于 L6562 的 BOOST-APFC 电源电路 .12 4.2 BOOST-APFC 电感的设计 .13 结结论论 .14 参参考考文文献献 .15 3 1.功率因数校正的现状与发展功率因数校正的现状与发展 1.1 功率因数校正的现状 目前功率因数校正主要有两种方法：无源功率因数校正和有源功率因数校正。无源 功率因数校正技术是指在整流电路中用 LC 滤波器来增大整流桥导通角，从而降低电流 谐波来提高功率因数。无源功率因数校正达到的功率因数没有有源功率因数校正的高， 但是比较简单，与有源功率因数校正相比比较经济，因而这种技术在中小容量的电子 设备中被广泛采用。有源功率因数校正是就是通过功率因数调节装置，使电网输入电 流波形完全跟踪电网输入电压波形的变化，并且保持输入电流和电压波形同相位。有 源功率因数校正有体积小、重量轻、功率因数可接近 1 等优点。无缘功率因数和有源 功率因数有不同的优势，本文的技术要求比较高，因此本文主要针对有源功率因数校 正进行论述。 1.2 无桥 PFC 电路 无桥 PFC 电路用单个的变换器代替传统的由四个二极管组成的前级整流桥升压 式 PFC 电路，实现 ACDC 和 PFC 两个任务。这个电路实际上是一个双升压式电路。 无桥是目前高性能功率因数校正电路研究的一个方向，图 1-1 为无桥 PFC 拓扑图。 图 1-1 无桥 PFC 电路 无桥 PFC 电路有两种工作模式：1. 开关管 S1 和 S2 同时开通或关断。电压源有 正半波和负半波组成，在电源的负半波，S2 导通时，电源通过 S2 和 S1 的寄生二极管 对电感 LB 充电，S2 关断时，电感通过 D2、RL 和 S1 的寄生二极管放电，该电路变成 一升压式电路。当电压源在正半波时，S1 导通时，电源通过 S1 和 S2 的寄生二极管对 电感 LB 充电，S1 关断时，电感通过 D1、RL 和 S2 的寄生二极管放电，该电路变成另 4 外一升压电路。在电源的负半波，S2 导通时，电源通过 S2 和 S1 的寄生二极管对电感 LB 充电，S2 关断，电感通过 D2、RL 和 S1 的寄生二极管放电，这是另一升压式电路。 2.当工作模式是：在电源的正半波，S1 高频工作，S2 则直通。电感 LB，S1，D1 和负 载构成一个升压式电路。在电源的负半波，S2 处于高频工作，S1 处于直通。S2，D2 和负载构成另一个升压式电路。第二种工作模式与第一种相比较模式控制较为简单。 1.3 软开关功率因数校正电路 改进大功率升压式电路的性能近几年在国内是比较热门的，主要集中在如何减少升 压式 boost 电路中的二极管的反向恢复损耗和 MOSFET 的开通损耗，从而达到提高转 换效率和减少电磁干扰的目的。 升压式 boost 电路，输出电压总是比输入电压要大，假如输入电压为 100270V 时， 则输出为 370420V。在高频电力电子 PFC 电路中，功率二极管一般采用快恢复二极 管，快恢复二极管是一种具有开关特性好、反向恢复时间较短的半导体二极管，主要 应用于开关电源、PWM 脉宽调制器、变频器等电子电路中，作为高频整流二极管、续 流二极管或阻尼二极管使用。 快恢复二极管的内部结构与普通 PN 结二极管不同，属 于 PIN 结型二极管，即在 P 型硅材料与 N 型硅材料中间增加了基区 I，构成 PIN 硅片。 因基区很薄，反向恢复电荷很小，所以快恢复二极管的反向恢复时间较短，正向压降 较低，耐压值较高。 软开关功率因数校正电路有很多的拓扑电路，将存在的电路统一整理，并区分不同 拓扑电路的优缺点，将是研究的方向。 2 设计原理设计原理 2.1 功率因数 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。 （2-1） 1 11 1 coscos msms U I COSIP PF SU II （2-1）式中： U1：单位为伏特，表示电网电压有效值； 5 ：表示输入电流失真系数； Ims：单位为安培（A） ，表示为输入电流有效值； I1：单位为安培（A） ，表示输入基波电流有效值； ：表示基波电流和基波电压之间的相移因数；cos 由式子（2-1）可知功率因数也可以定义为输入电流失真系数（）和基波电压与 基波电流相移（）的乘积，功率因数的高低跟、有关系，增大，可coscoscos 以提高功率因数。 由式子（2-1）可知，PF 由电流失真系数和决定。当值低，则表示输入电cos 流谐波分量大，将造成输入电流波形畸变，会对电网造成谐波污染。当低时，则cos 表示用电气设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大。 PF 与总的谐波畸变率 THD 的关系如下： 1 111 12 1 cos coscos msms n n V IIIP PF SV II I (2-2) 2 2 1 n n I THD I (2-3) 1 2 2 1 1 1() n n I THD I 有 (2-4) 2 1 cos 1+(THD) PF即 (2-5) 有式子（2-5）可知，THD 对功率因数的影响，THD 越大，功率因数越低，THD 越小， 功率因数越高，提高功率因数可以通过减小 THD 来达到。 功率因数校正技术分为无源和有源两种，无源功率因数校正的性能比较差，达不到 很好的效果，本文技术要求是功率因数大于等于 0.95，因此本文只针对有源功率因数 校正 APFC 技术做探讨。 有源功率因数校正 APFC 技术的基本思想：将输入的交流进行全波整流，在整流电 路与滤波电容之间加入 DC/DC 变换，通过适当控制使输入电流的波形自动跟随输入电 压的波形，即使整流器的输出电流跟随它输出直流脉动电压波形，且要保持贮能电容 电压稳定，从而实现稳压输出和单位功率因数输入。 6 有源功率因数校正 APFC 技术，从其实现方法上来讲，就是通过功率因数调节装置， 使电网输入电流波形完全跟踪电网输入电压波形的变化，并且保持输入电流和电压波 形同相位，从而使得无论负载性质如何，从输入端看，负载取用的都是有用功率，是 功率因数能够接近于 1。 由于 APFC 使得电网端的功率因数接近 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，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，增加功率因数校正部分对电网带来的效益是明显 的，但是用电器本身则会增大体积提高成本。 2.2 有源功率因数校正电路 2.2.1 有源功率因数校正电路的原理 有源功率因数校正主要是在整流滤波和 DC/DC 功率级之间串入一个有源 PFC 作为 前置级，用于提高功率因数和实现 DC/DC 级输入的预稳，用作 PFC 电路的功率级基 本上是升压型 Boost 变换器，它具有效率高、电路简单、适用电源功率高等优点。 有源功率因数校正电路的思想为：选择输入电压作为参考信号，使得输入电流跟踪 参考信号，实现输入电流的低频分量与输入电压为一个近似的同频同相的正弦波，以 提高功率因数和抑制谐波。 有源功率因数校正电路原理图为图 2-1。主电路由单相桥式整流器和 DCDC 变换 器组成，包括电压误差放大器 VA，基准电压，电流误差放大器 CA，乘法器 M 及驱动 器等部分，负载可以是开关电源，也可以为电器。 图 2-1 有源功率因数校正电路的原理 主电路的输出电压 Vo 与基准电压比较后，再输入给 VA，整流电压 Vdc的检测值和 VA的输出电压 Vo 信号共同加到乘法器 M 的输入端。M 的输出作为电流反馈控制的基 7 准信号，与开关电流 iS检测值比较后，经过 CA 加到逻辑及驱动器上，用以控制开关 VTr的通断，使输入电流 ii与 Vdc的波形基本一致，从而大大减少了电流谐波，提高了 输入功率因数，从而保持了 Vo 的恒定。 2.2.2 有源功率因数校正电路的分类 有源功率因数校正电路按电流模式可以分为连续电流模式控制型与非连续电流模式 控制型两类。其中，连续电流模式控制型主要有升压型（Boost） 、降压型（Buck） 、升 降压型（BuckBoost）三种；非连续电流模式控制型有正激型（Forward） 、反激型 （Fly back）两种；它们有不同的优缺点，通过对不同类型的分析，最后选择升压式做 为重点研究对象，下面对上述电流模式的工作原理做简单的介绍。 1、升压型 PFC 电路 图 2-2 为升压型 PFC 主电路，工作过程主要分两种：1.开关管 Q 导通时，电流 IL 流过电感线圈 L，电感线圈处于未饱和状态时，此时的电感开始以磁能的形式储存电 能，电容放电给负载提供能量，图中的 R 为负载；2.开关管 Q 截止时，L 自感电动势 VL与电源 VIN 的电流方向相同，此时 VL与电源 VIN 串联给电容以及负载供电。 图 2-2 升压型 PFC 主电路 该电路的优点是： （1）输入电流是指电感电流，操作上容易调节，在工作过程中处于连续的状态， 在整个输入电压的正弦周期内都可以调制，可以得到很高的功率因数。 （2）开关管栅极驱动信号地与输出共地，驱动起来比较简单； （3）开关管的电流峰值较小，对输入电压变化具有很强的适应性，适合用在电压 变化比较大的电网场所。 主要缺点：输出电压比较高，开关管对输出不能实现短路保护的功能。 2、降压型 PFC 电路 图 2-3 是降压型 PFC 电路，工作过程主要有两种：1.当开关管 Q 导通时，二极管 8 D 处于截止状态，电流 IL流过电感线圈，电感线圈处于未饱和状态时，电流 IL线性增 加，储存电能；2.当开关管 Q 关断时，L 将会产生自感电动势，向电容和负载供电。 因为变换器输出电压总是小于电源电压，故称为降压变换器。 图 2-3 降压型 PFC 主电路 该电路的主要优点是：开关管具有很弱的电压适应能力，假如后面的电路发生短路， 可以起到一定的短路保护，该优点是升压式 PFC 没有的。 该电路的主要缺点是：只有输人电压高于输出电压时，降压式 PFC 电路才能参加 工作，在每个正弦周期中，该电路有一段因输人电压低而不能正常工作，输出电压较 低，在相同功率等级时，后级 DCDC 变换器电流应力较大；与升压式 PFC 相比，开 关管门极驱动信号与输出地端不同，驱动较为复杂，再加上输人电流存在断续的情况， 功率因数不是很高，应用较少。 3、升降压型 PFC 电路 图 2-4 为升降压型 PFC 电路，其工作过程有两种状态：1.当开关管 Q 处于导通时， 电流 IIN 流过电感线圈，二极管处于截止状态，电容 C 放电为负载提供能量，电感 L 处于储能状态；2.当开关管 Q 处于断开时，IL 有减小趋势，L 中产生的自感电动势使 二极管 D 处于导通状态，L 开始释放其储存的能量，对电容 C 和负载供电。 图 2-4 升降压型 PFC 主电路 该电路的优点：可以对输人电压升压和降压，适用范围比较广，集合了升压式和降 压式 PFC 的一些优点；电路输出电压选择范围较大，可根据一级的不同要求设计；电 路中的开关管可实现输出短路保护的功能。 9 该电路的主要缺点有：开关管要有很强的电压应力，因为开关管的电压为输入电压 与输出电压的和；由于在每个开关周期中，输入电流只有在开关管处于导通状态下才 会有，峰值电流变的比较大；因此驱动起来比较复杂；因为输出电压极性与输入电压 的极性是相反的，后级逆变电路比较难设计，因此在现实应用中比较少。 4、正激型 PFC 电路 图 2-5 为正激型 PFC 电路，工作状态有两种：1.当开关管 Q 处于导通时，二级管 D1 处于正偏导通，D2 处于截止状态，电源向负载提供能量，输出电感 L 处于储能状 态。当开关管 Q 处于关断时，电感 L 储存的能量通过二极管 D2，向负载释放电能， 电容 C 处于充电状态。 该电路的磁通是单向累积的，在电路中需要设计磁复位。 图 2-5 正激型 PFC 主电路 这种电路的优点是功率级的电路设计比较简单，缺点是电感中的能量要通过磁复位 回路来释放。 5、反激型 PFC 电路 图 2-6 为反激型 PFC 电路，工作状态有两种：1.当开关管 Q 处于导通时，输入电 压加到高频变压器 B1 的原边绕组上，由于 B1 副边整流二极管 D1 反接，副边绕组中 没有电流流过，此时，电容 C 放电向负载提供能量。当开关管 Q 关断时，绕组上的电 压极性反向，二极管 D1 正偏导通，储存在变压器中的能量通过二极管 D1 向负载释放。 这种电路的优点是功率级电路简单，且具有过载保护功能。 10 图 2-6 反激型 PFC 主电路 3 3 元器件的选择元器件的选择 3.1 L6562 简介 图 3-1 是 L6562 芯片的元器件，图 3-2 是 L6562 芯片的引脚图。 DIP-8 图 3-1 L6562 芯片 INV ZCD COMP GND MULT GD CS VCC 图 3-2 L6562 引脚图 1 脚（INV）：误差放大器反向输入端。PFC 输出电压分压电阻分压后送入该引脚 。 2 脚（COMP）：误差放大器输出端。补偿网络设置在该脚与 INV 端（1 脚） ，以 完 成电压控制环路的稳定性和保证有高的 PF 值与低的谐波失真（THD） 。 3 脚（MULT）：乘法器输入端。该引脚通过分压电阻分压，连接到整流器整流电 压 提供基准的正弦电压给电流环。 4 脚（CS）：输入到 PWM 比较器。MOSFET 管电流流过取样电阻，在电阻产生 电 11 降，该电压与内部的正弦电压形成基准信号，与乘法器比较来决定 MOSFET 的 关闭。 5 脚（ZCD）：升压电感去磁侦测输入端。工作在临界传导模式，用负极性信号的 后 沿来触发 MOSFET 的导通。 6 脚（GND）：控制电路的地端。栅极驱动和信号回路的通路都应该汇集到该地引 脚端。 7 脚（GD）：栅极驱动输出。图腾柱输出能直接驱动 MOSFET 管或 IGBT 管，对 源 极峰值推动电流是 600mA，吸收电流时 800mA。该脚的驱动电压被钳制在 12V 左 右，避免因电压过高而使驱动电压也升高。CCU 8 脚（VCC）：电压供给 IC 内部信号与栅极驱动，供电电压能够被限制在 22V 以 下。 L6562 是在临界电流模式状态下工作的。升压电感 L 的电流逐渐减小到零时，能够 检测到电感两端的电压极性同时发生变化变号，零电流检测器才能够打开外部的 MOSFET。 为了防止发生虚假触发，电路提供了 0.5V 的滞后电压。ZCD 端输入电压的门限值 设为 1.82.3V，输入电流为 2A ，禁止阈值为 200mV，箝位电压为 5.7V。 为了改进 THD 的恶化，在 L6562 的内部乘法器单元中，专门嵌入了 TD 最优化电 路。改进后的电路能够处理 AC 线路电压过零附近时积聚的能量，从而使桥整流器后 的高频滤波器电容能够充分放电，达到减小交越失真，从而降低 THD 的目的。 综合高线性乘法器中的 THD 最优化电路，L6562 允许在误差放大器反相输入端 INV 脚和输出端 COMP 脚之间连接 RC 串联补偿网络，减小放大器输出波纹和乘法器 输出的高次谐波的误差。 L6562 性能与 L6561，L6560 相比较有明显的提升，但制作的成本并没有增加。 3.23.2 L6562L6562 芯片原理框图芯片原理框图 图 3-3 为芯片 L6562 的原理框图。 12 图 3-3 L6562 芯片原理框图 4 4 电路的设计电路的设计 4.14.1 基于基于 L6562L6562 的的 Boost-APFCBoost-APFC 电源电路电源电路 本文的设计是基于临界状态下，采用的是 ST 公司的 L6562 作为控制芯片，设计出 升压式有源功率因数校正电路。 图 4-1 给出了由 L6562 构成的 APFC 的电路图。图中的 C1、C2、L1 构成双 抗 电磁干扰滤波器，输入的交流电经整流桥整流后变换为正弦全波直流脉动，作为升压 式 Boost 电路的输入；电容 C3 的作用是为了滤除电感电流中的高频信号，降低输入电 流中存在的谐波含量；整流后的正弦全波直流电压经过电阻 R1 和 R2 构成的电阻分压 网络，然后通过 3 脚输入到乘法器，是用来确定输入电压的波形与相位，电容 C4 的大 小为 0.01uF，是用以滤除 3 号脚的高频干扰信号；PFC 的变换器直流输出电压 V0 经 过 R8、R9 分压反馈到 1 号脚误差放大器的反相端。升压式 Boost 电感 L 的一个副绕组， 用作初级电感的高灵敏度的传感器，将初级电感的高频电流传送到 R4 转换为电压信号， 给 5 号脚以过电流检测信号。芯片的驱动信号通过电阻 R5 连接到 MOS 管的栅极；电 阻 R7 作为电感电流的检测电阻，用以采样电感电流的上升沿 MOS 管的电流，电阻 R7 一端接地，另一接在 MOS 管的源极，同时经电阻 R6 连接到芯片的 4 号脚；电阻 13 R9 和 R8 不仅构成电阻分压网络，也形成输出电压的负反馈回路；电容 C6 连接于芯片 1、2 脚之间，组成电压环的补偿网络。 图 4-1 基于 L6562 的 Boost-APFC 电源电路 4.24.2 Boost-APFCBoost-APFC 电感的设计电感的设计 升压式 Boost 电感，采用 AP 法则，原理是首先根据设计要求计算所需电感： 2 0 (min)0 (2) 2 imsims swi VVV L fpV (4-1) 式中，Virms 为输入电压有效值；Vo 为输出电压，fsw(min)为 MOS 管的最小工作频率， 通常在 20kHz 以上；Pi 为输入功率。 计算要求的 AP 值为： 6 ()() max 10 _ L rmsL pk uC LII APreq kBJ (4-