（电力电子与电力传动专业论文）pic控制高功率因数在线式不间断电源的研究.pdf

湖北工业犬学硕士学位论丈 a b s t r a c t i no r d e rt op r o v i d er e l i a b l ea n dp u r ep o w e rf o rs e n s i t i v el o a d sp e r s i s t e n t l y , u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l yr u p s ) h a sb e e nw i d e l yu s e d i tp l a y sam o r ea n dm o r e i m p o r t a n tr o l ea n di t ss i g n i f i c a n tt or e s e a r c ho ni t i nt h ed i s s e r t a t i o n i ti n t r o d u c e st h eg e n e r a ls i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n tt r e n d so f u p sa n dp u tf o r w a r dap r e c e p t t h ew h o l es y s t e mc o n t a i n sf o n rp a r t s ，s u c ha sr e c t i f y a n dp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，c h a r g e ，b o o s tc i r c u i t ，f u l lb r i d g ei n v e r t er t 1 1 i sp a p e r d e s c r i b e da5 k h i g l lp o w e rf a c t o ro n l i n eu p ss y s t e ma n dg i y e nt h ep o w e rf a c t o r c o r r e c t i o na n dt h ef u l lb r i d g ei n v e r t e rd e t a i l e do r i g i n a ld e s i g n b e h i n dt h eb r i d g e ，ab i g c a p a c i t a n c ew a sc o n n e c t e dp a r a l l e l l y , w h i c hc a u s e dc u r r e n td i s t o r t i o n s t h e r e f o r e ，i t n e e d sp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n t h ei n p u tp o w e rf a c t o rc o r r e c t o ra d o p t sb o o s tt y p e p o w e rf a c t o rc o r r e c t i n gc i r c u i tw h i c hc o n t r o l l e db vu c 3 8 5 4 a o nt h eo n eh a n d ，i t b o o s t st h ev o l t a g ea f t e rt h er e c t i f i e rt oah i g h c rl e v e rd cv o l t a g ea n ds u p p l i e st h ei n v e r t c i r c u i t ，o nt h eo t h e rh a n d 、i tf o r c e st h ei n p u tc u r r e n tt of o l l o wt h es i n u s o i d a lw a v ei n p u t v o l t a g ea n dm a k e st h e mh a v e h o m o l o g yp h a s e ，s oe n h a n c e st h ei n p u tp o w e rf a c t o r i n v e r tc i r c u i tu s e st h es i n g l ep h a s ef u l lb r i d g ec i r c u i t c o n t r o l l e db vp i c l 6 c 7 4 t h e s p w mc o n t r o lw a v eb r i n g e db vp i c l 6 c 7 4j ss e p a r a t e dt of o u to n e s 、t h e nd r i v et h e i g b to ft h ef u l lb r i d g et h r o u g hi r 2 1 1 0a n dc o n v e r t st h e3 6 0 vd ch i g h v o l t a g ei n t o 2 2 0 v5 0 h za cv o l t a g e i nt h ep a p e r , t h ea u t h o rr e s e a r c h e st h ee f f e c t sb r i n g e db yt h e d e a dz o n e so ft h ef u ub r i d g ec i r c u i ta n dd r a w san u m b e ro fc o n c l u s i o n s p h a s el o c k i n g i sa l s oc o n t a c t e d p h a s el o c k i n gs y s t e mi sm a d eu po fs o f t w a r e ，w h i c hc a ne n s u r e r e l i a b l es w i t c hw i t ht h eo v e rr o a d s h a v ed o n et h ec i r c u i ta n ds o f t w a r ee x p e r i m e n t sa n da c h i e v e dk e yd a t a ，w a v e f o r i l l s a n dt h ec e r t i f i c a t i o no ft h es y s t e md e s i g nf e a s i b i l i t y t h r o u g ha n a l y s i n gt h ep r o b l e m s t h a te x i s tt h r o u g h o u tt h ee x p e r i m e n t s ，t h ea u t h o rp o i n to u tt h ed e f i c i e n c i e sa n dp r o p o s e f o t u r ed i r e c t i o nf o rt h ef u r t h e rr e s e a r c h k e y w o r d s ：u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y , p o w e rf a c t o rc o r r e c t o r , i n v e r t ，s i n u s o i d a l p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ，p h a s el o c k i n g i i 佩嘉亡工繁火港 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取 得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式标明。本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：羡s 面 日期： d 石年石月 拥 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权湖北工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文作者签名：苏b b 试指导教师签名：别弘p 日期：d ( 年月 乙日 日期：of 年6 月j 2 日 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 前言 第1 章绪论 随着信息技术的不断发展和计算机应用的f 1 益普及，一些高新技术产品和设 备对供电质量提出了越来越严格的要求。如通信系统、工业自动化控制系统、航 空管理系统、国防系统、医疗系统以及银行、电信等重要用电系统和部门，均要 求对其持续提供频率和幅值稳定、无浪涌、无尖峰干扰的优质交流电源。这是因 为供电的突然中断或者供电质量达不到要求，极易造成数据丢失、系统运行异常 甚至瘫痪，从而引起难以估量和挽回的损失。然而市电电网因受自然界以及意外 事故的影响，还有电压波动、频率变化以及由线性和非线性负载的混合使用引起 的大量谐波、电流失真，势必造成所提供的电能不能完全满足负载的要求。为了 给这些重要负载持续稳定地提供优质电能，以满足其对供电电源提出的严格要求， 就需要用到不问断电源( u n i n t e r r u p t i b l ep o w e rs u p p l y ，简称u p s ) 。 u p s 是开关电源的一种，它是电力电子领域极其重要的一个行业，近年来发 展得非常迅速，已经渗透到我们生活的各个方面，以后也会起着越来越重要的作 用，因此对其进行研究具有重大的现实意义。 u p s 主要具有以下几个方面的功能： ( 1 ) 电压、频率变换功能。可以将2 2 0 v 、5 0 h z 交流输入电压变换成所需要 的幅值和频率的电压，并且可以使输出电压稳定。 ( 2 ) 后备功能。u p s 一般都带有蓄电池，它能够在市电中断时继续对负载供 电一段时间，使用户有充足的时间做好断电的准备并采取必要的措施。 ( 3 ) 隔离功能。将用电设备与电网隔离，既避免了电网的波动影响负载的正 常工作，同时也避免了负载对电网的干扰。 ( 4 ) 多路电源的并联与切换。多路电源并联对重要的负载供电，当某一路电 源出现问题时能够及时切换到另一路电源，以保证对重要负载的供电不间断。 1 2u p s 的概况 目前，u p s 的主电路拓扑结构主要有以下四种“1 ： ( 1 ) 后备式。其拓扑结构如图1 1 所示。当市电在规定电压范围内正常供电 时，一方面市电输入经稳压和滤波后，即输出供给负载：另一方面市电经整流、 湖北工业大学硕士学位论文 变换后给蓄电池充电。而当市电超出规定范围时，其无法给负载提供需要的电能， 这时需要把蓄电池储存的电能通过逆变器变换成正弦交流电供给负载。这种u p s 的优点是结构简单、成本低廉、可靠性高、效率较高。其缺点也非常明显，主要 有两点：一是输出电压波形质量不高，其幅值和频率会随市电电压的幅值和频率 变化；二是当市电异常时需启动逆变器，切换时问较长。因此，后备式u p s 一般 应用在一些非关键性的小功率设备上。容量一般为0 5 2 k v a 。 图1 1 后备式u p s 拓扑结构 ( 2 ) 在线互动式。在线互动式是一种界于后备式和在线式之间的工作方式， 又称线路交叉式或三端口式。图1 2 为典型的在线互动式拓扑结构。图中交流输 入端l i n 为第一端口，双向变换器绕组7 8 为第二端口，输出电压端l 0 n 为第三 端口。其内部有一个双向变换器，既可以用作逆变器，又可以用作充电器。所谓 在线是 变器处于热备份状态而作为充电器给电池充电。 划分 d i 。i 玉 | 王 划铲 一划- pi 浏乏2 ， s ； li 图1 2 在线互动式u p s 拓扑结构 当输入市电在规定范围内变化时，u p s 通过调整变压器的抽头稳定输出电压， 如同一台后备式u p s ；当市电高于或低于正常规格时，启动升压或降压功能，并 且不使用蓄电池供电；直到市电电压低于可升压范围( 包括市电断电) 或高于可 降压范围时，才使用蓄电池供电。 当市电正常时，在线互动式u p s 不启动逆变器，而是将市电经过加工提供给 负载。由于没有经过两次变换，其功率损耗明显低于双变换器，因而具有后备式 u p s 高效率的特点。当市电异常时，自动由市电输入切换到电池输入经逆变器给 负载供电，它又有在线式u p s 输出波形高质量的特点。这种u p s 的缺点是在市电 供电时，输出电压只是幅度有改善，输入的失真、干扰等都传递给了输出；动态 湖北工业大学硕士学位论文 性能不好，在输入电压或负载电流突变时，输出电压突变较大，恢复到新稳态所 需时间长，稳压精度较差，对电网适应范围窄，当双向变换器作充电器使用时， 其充电电压和电流不可控，大大降低了电池的使用寿命。但其输出频率不稳：充 电电流交流成分大，大大降低了蓄电池的寿命：而且对外界的干扰非常灵敏，带 非线性负载能力差。 ( 3 ) 在线式。又称为双变换式，即市电输入到u p s 输出先经过了a c d c ， 然后又经过了d c a c 这样两次变换。其拓扑结构如图1 3 所示。在市电正常情况 下，市电输入交流电经过a c d c 变换得到需要的直流电，然后再通过逆变器将所 得直流电逆变成正弦波交流电提供给负载。与此同时，输入交流电通过充电电路 对蓄电池进行充电。当市电超出规定范围时，逆变器的输入自动切换到蓄电池上， 由蓄电池供电，此时由蓄电池提供的直流电经过逆变器变换成j 下弦波交流电供给 负载。因此无论是市电正常时，还是市电异常由蓄电池逆变供电期间，逆变器始 终处于工作状态，这就从根本上消除了电网电压波动和干扰对负载的影响，真正 实现了对负载的无干扰、稳压、稳频以及零转换时间。显然，这种u p s 在电路结 构上比后备式u p s 要复杂得多，由于采用了两次变换，大大改善了供电质量。但 逆变器一直处于工作状态，对逆变器的可靠性和使用寿命提出了较高的要求，因 此在线式u p s 比后备式u p s 成本高很多。在线式u p s 的优点在于它的零转换时 间以及高质量的输出电源品质，因此它更适合于一些关键的应用场合”1 。 图1 3 在线式u p s 拓扑结构 ( 4 ) 电压补偿在线式( d e l t a 逆变器) 。电压补偿在线式技术是近年来由美国 a p c 首先提出并在三相大功率u p s 中形成产品的。同样是双逆变电路结构，同样 是在线工作，但是，由于它成功地把交流稳压技术中的电压补偿原理用到了u p s 的主电路中，相对传统在线式u p s ，它在适应电网环境、不干扰破坏电网、输出 能力等多项u p s 主要指标方面都有了新的突破。 以上四种结构的u p s 各有其优缺点，就供电质量来说，在线式和双逆变电压 补偿在线式u p s 最好，在线互动式次之，后备式最差“。目前先进的电子、网络 设备对供电质量的要求越来越高，显然，大力发展在线式u p s ，努力提高其性能， 成为u p s 主要的发展方向。 湖北工业大学硕士学位论文 当前我国u p s 市场上存在几十种品牌，其中不乏国外知名企业，但是，目前 还没有一种品牌能够完全占领市场，或者占据市场的主导地位，其原因是各品牌 的u p s 都存在各种各样的问题。主要表现在以下三个方面： ( 1 ) 输出电压的幅值和频率超过规定范围，或输出波形不是正弦波，而是方 波或无规则杂波。 ( 2 ) 切换时间过长。对后备式u p s 来说，有从市电供电到电池供电的切换， 对在线式u p s 来说，当逆变器线路出现故障时，又有从双变换电路供电到由市电 直接供电的切换。不论是哪一种切换，在切换过程中，输出正常电压仅靠电容的 放电维持极短的时间，这极易造成供电的中断。因此u p s 的技术指标中规定切换 时间应小于1 0 m s ，这一点是非常重要的。但是目前许多u p s 的切换时间长达4 0 5 0 m s 这就等于已经失去u p s 的意义了。 ( 3 ) 功率因数低。目前市场上的u p s 的输入功率因数还较低，一般仅为0 7 左右。输入谐波电流污染电网，以断续的脉动方式向电网索取电流，这种脉动电 流在外电网沿路阻抗上形成脉动电压叠加在电网电压的正弦波上，造成电压失真， 形成所谓的电力公害。 另外，u p s 的可靠性也是一个引人注目的问题。如果u p s 没有较高的可靠性， 那么它就没有生存的价值和意义。而目前市场上的很大部分产品都没有令人满意 的可靠性。 1 3u p s 的发展趋势 鉴于目前u p s 的种种不足之处，学者和工程技术人员进行了广泛而深入的研 究，提出了提高u p s 性能的多种技术方案，主要是采用新型的电路拓扑结构、新 型的功率器件、先进的控制策略和数字化控制技术以及软开关技术等。通过技术 的改进和创新，u p s 正向着高频化、智能化、绿色化的方向发展。3 。 ( 1 ) 高频化。第一代u p s 的功率开关管为可控硅，第二代为功率晶体管，第 三代为m o s f e t 和i g b t 。功率晶体管开关速度比可控硅提高了一个数量级，场 效应晶体管m o s f e t 比功率晶体管又高一个数量级，i g b t 工作频率虽然比 m o s f e t 低，但一般也可以达到2 0 5 0 k h z ，且其电流容量比m o s f e t 大得多， 导通电阻也较小。主功率变换电路频率的提高，使得变压器和用于滤波的电感、 电容体积大大减小，同时u p s 整机效率、噪声、动态响应特性和精度都大大提高。 ( 2 ) 智能化。一个智能化的u p s 的硬件部分一般是由普通的u p s 加上微机 系统所组成”1 。微机系统通过对各类信息的综合和分析，除完成u p s 相应部分正 湖北工业大学硕士学位论文 常运行的控制功能外，还应对运行中的u p s 进行实时监测，对重要的数据信息进 行分析、处理和显示，从而得出各部分电路的工作状态。实时自动记录有关信息， 并形成档案，供工程技术人员查阅。在u p s 发生故障时，能够及时进行分析、诊 断故障原因，给出处理方法，并及时采取必要的应急保护控制动作，以防故障影 响的扩大。 ( 3 ) 绿色化。各种用电设备及电源装置产生的谐波电流对电网的污染越来越 严重，各种相关政策相继出台，社会对无污染电源装置的呼声愈来愈高。因此也 要求u p s 向无污染、绿色化的方向发展。u p s 除加装高效输入滤波器外，还应在 电网输入端进行功率因数校f ，这样既可消除本身由于整流滤波电路产生的谐波 电流，又可补偿功率因数，使u p s 的输入功率因数达到0 9 5 以上。 1 4 系统总体方案 针对目前u p s 的现状，结合其发展趋势，本课题期望研制出5 k v a 高性能的 u p s ，最大限度的提高输入端功率因数和整机效率，尽量改善输出波形质量、减小 失真，并控制系统的生产成本。为了达到这个目的，本方案主要采取了以下措施： ( 1 ) 输入端采用先进的功率因数校正方法，选用美国u n i t r o d e 公司的功率因 数校正集成控制电路芯片u c 3 8 5 4 a ”1 。它具有输入端功率因数接近于1 、输入电流 失真小、恒频控制、稳定性高等特点。 ( 2 ) 采用p i c 单片机作为主控芯片，减少了所需元器件，提高了系统的集成 度和可靠性，而且还方便对系统的运行状态和参数进行监控、显示和处理，使整 个系统的设计非常方便“1 。由单片机产生的s p w m 波形质量较好，频率稳定，满 足设计要求。 ( 3 ) 逆变器采用单相全桥逆变电路”1 ，功率器件选用富士公司增强型i g b t 1 m b h 5 0 0 6 0 。整个电路损耗低、效率高、工作频率高、驱动容易、可靠性大大提 高。 ( 4 ) 驱动电路采用i r 公司的集成控制电路芯片i r 2 1 1 0 ，该驱动电路实现了 集成化、抗干扰能力强、速度快、保护功能完善等优点。 整个电路分为四大部分：输入整流及功率因数校正电路、蓄电池充电电路、 蓄电池升压电路和全桥逆变电路1 8 】。系统总体框图如图1 4 所示。 湖北工业大学硕士学位论文 图1 4 系统总体框图 市电经整流滤波后，进行功率因数校正，并同时进行直流电压调整，升压到 3 6 0 v 左右。另一方面，蓄电池输出的4 8 v 直流电压经过蓄电池升压电路后得到 3 5 0 v 的直流高压，这两路直流高压通过二极管并联起来，供给全桥逆变电路。正 常工作时，由市电整流所得直流给逆变器供电，高压直流电经过全桥逆变电路逆 变后，再经输出滤波变成2 2 0 v 、5 0 h z 正弦波交流电，供给负载。而当市电中断或 异常时，功率因数校正电路输出的直流电压将达不到3 6 0 v ，当其低于3 5 0 v 时， 则自动切换到蓄电池给逆变器供电，然后经逆变器变换成2 2 0 v 交流电，维持负载 的正常工作。 1 5 本文主要内容 整个系统由四大部分组成，即输入整流及功率因数校正电路、蓄电池充电电 路、蓄电池升压电路和全桥逆变电路。由于时间和精力有限，本课题只完成了功 率因数校正和全桥逆变电路这两个部分的实验和调试，本文详细介绍了这两个部 分的具体设计。另外，对全桥逆变电路的死区效应和输出电压的锁相进行了一定 的研究和分析，并得出了一些结论。 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章输入整流电路及功率因数校正 2 1 整流电路输入侧的功率因数问题 为了给逆变器提供一个稳定的直流电压叫，需要将电网输入的交流电进行整 流。目前比较经济可靠的方案，一般都是采用二极管整流桥后接一个大电容滤波、 稳压，如图2 1 ( a ) 所示。 - 一 l i 3z 二争 i = = l _ 王2 ( a ) 电路图( b ) 输入电压、电流波形 图2 1 二极管整流滤波电路及输入电压、电流波形 这种电路结构简单，容易得到平滑的直流电压，但是二极管是非线性元件， 电容是储能元件，这种非线性元件加储能元件的组合会给电网带来非常严重的谐 波污染o 。尽管电网输入电压呈正弦波，但电流却为脉冲状，如图2 1 ( b ) 所示。 这是因为输入整流脉动电压仅在高于滤波电容电压的瞬间对电容充电，致使输入 电流呈脉冲状。脉冲状的输入电流，含有丰富的谐波成分( 其中三次谐波尤为突 出，占7 0 以上) 却只有较低的有效值，功率因数极低( 仅为o 6 左右) 。谐波电 流容易造成电路中的噪声并且对电网产生谐波污染。这些谐波电流是不能转化为 有用功的，只是白白消耗在线路上，造成能源浪费：更为严重的是，这些谐波分 量以各种途径耦合于电网或者通信线路上，使电网电压波形产生许多毛刺尖峰， 甚至出现缺角和畸变，干扰其它设备的正常运行，同时还会造成电路故障等，所 以必须对此加以治理，保证电网的供电质量，提高电网的可靠性，以达到有效的 利用电能。为此，国际电工委员会i e c ( i n t e r n a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 、 美国i e e e ( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a l & e l e c t r o n i c se n g i n e e r i n g ) 等组织都相继制定了一 系列标准，对谐波含量、波形的失真程度和功率因数作出了相应的规定。随着世 界对绿色电网呼声的日益高涨，目前我国也正加紧这方面标准的制订和完善工作。 可以预见，在不久的将来，功率因数较低而达不到标准的电源是无法生存的。 ，r r、卜、 、 。= 捩 ， v。 ”r 队 湖北工业大学硕士学位论文 2 2 功率因数校正的原理及控制方法 功率冈数( p f ) 是指输入有功功率( p ) 与输入视在功率( s ) 的比值。用公式表示 为： p f p 型堕：土c o s 矿：y c o s ( 2 1 ) s u 1 l 。l 。 式中：u 1 表示输入电压基波有效值；i l 表示输入电流基波有效值；i r m s 表示 输入电流有效值：c o s o 表示基波电流和基波电压的相移因数；y 表示输入电流波 形畸变因数。 由式( 2 - 1 ) 可知，功率因数由输入电流波形畸变因数y 和基波电流和基波电压 相移因数c o s o 决定。y 值低，表示输入电流波形畸变程度大，输入电流谐波分量 大，对电网造成严重污染；c o s 中值低，则表示基波电流和基波电压的相移较大。 所谓功率因数校正，就是对电路采取措施，使输入电流波形接近f 弦波并与输入 电压同相位。1 。电流正弦化是使y = 1 ；同相位是使c o s o = l 。综合这两点便可实现 功率因数为1 的目标。在本课题中，提高功率因数的途径，就是设法降低谐波电 流的含量。 功率因数校正的方法主要分为两大类：无源功率因数校正和有源功率因数校 正。无源功率因数校正就是在整流电路中增加无源元件( 电容、电感) ，以补偿滤 波电容的输入电流，减少谐波电流，提高功率因数。该方法电路简单，成本低廉， 可靠性高，但难以达到高功率因数( 一般只能提高到0 9 左右) 。此外，所需电感电 容容量大、体积大、直流侧动态性能差，对整机性能改善十分有限。有源功率因 数校正( a p f c ) 是在整流电路与负载之间增加一个功率变换器，应用电流反馈技 术，通过适当的控制方法不断调节输入电流，使其跟踪输入正弦波电压波形，将 输入电流校正成与电网电压同相的正弦波，因而功率因数可提高到近似为1 o 。其 主要优点是功率因数极高、t h d 小、体积小、输出电压恒定。缺点是电路复杂、 成本较高。由于谐波电流是导致开关电源功率因数下降的主要原因，所以，要改 善此类系统的功率因数，就必须极力提高输入电流波形畸变因数y ，因此适合采用 有源功率因数校正方法。 有源功率因数校正电路的主电路拓扑结构一般采用d c d c 开关变换器，其中， 升压型( b o o s t ) 变换器由于具有电感电流连续、储能电感同时作为滤波器抑制r f i 和e m i 噪声、电流波形失真小、输出功率大等优点，因此常被用来作为主电路拓 扑“”。本课题中采用的就是由专用功率因数校正芯片u c 3 8 5 4 a 控制的升压型有源 功率因数校正电路。 湖北工业大学硕士学位论文 常用的控制开关变换器实现a p f c 的方法有三种，即峰值电流控制法、滞后 电流控制法、平均电流控制法。峰值电流控制法电路简单，易于实现，但存在以 下缺点：工作频率变化，电流不连续：功率因数的值随输入电压变化而变化； 开关管的峰值电流大，从而导致丌关管损耗增加。滞后电流控制法，工作频率 可变，电流达到滞后带内发生功率丌关管通与断操作，使输入电流上升或下降。 电流波形平均值取决于电感输入电流。平均电流控制法电路相对复杂，但工作频 率固定，电感电流连续状态，开关管电流有效值小、e m i 滤波器体积小、输入电 流波形失真小”“。本文介绍的u c 3 8 5 4 a 就是工作在平均电流控制方式。 2 3u c 3 8 5 4 a 控制的升压型功率因数校正电路 为便于研制和生产有源功率因数校正器，现在的p f c 控制电路已集成化，有 多种p f c 集成控制电路芯片可供设计、研究人员选用，为功率因数校正提供了极 大的方便。常用芯片有u n i t r o d e 公司生产的u c 3 8 5 4 、u c 3 8 5 4 a b 、u c 3 8 5 2 、 u c 3 8 5 5 a b ；m i r c o l i n e 公司生产的m l 4 8 1 2 、m l 4 8 1 9 、m l 4 8 2 1 ；s i m e n s 公司生 产的t d a 4 8 1 4 、t d a 4 8 1 6 、t d a 4 8 1 8 及m o t o r o l a 公司的m c 3 4 2 6 1 等“”。这些芯 片针对不同控制方法而有所不同，各有特色，但大同小异。本课题选用u n i t r o d e 公司生产的平均电流型控制芯片u c 3 8 5 4 a “”“。 u c 3 8 5 4 a 是一款高性能功率因数校正集成控制电路，它是工业级标准产品 u c 3 8 5 4 的改进型，是目前使用最广泛的功率因数校正电路“”。它具有平均电流型 控制芯片的所有优点。采用恒频控制，由于处于电流连续工作状态，具有开关电 流定额小，电流有效值小，输入电流失真小的优点，并且能抑制开关噪声，容易 滤波。其引脚和基本功能与u c 3 8 5 4 兼容，而其性能有了多处改进。所以u c 3 8 5 4 a 可直接应用于原采用u c 3 8 5 4 设计的p f c 电路来进一步改善p f c 电路的性能。 u c 3 8 5 4 a 的结构框图如图2 2 所示。主要包括：电压放大器v a 、模拟乘法器m 、 电流放大器c a 、固定频率脉宽调制器p w m 、功率开关管的门极驱动器、7 5 v 基 准电压( 1 误差) 、以及软启动、输入电压前馈、输入电压筘位、过流保护的比较 器等。 u c 3 8 5 4 a 的主要性能特点有“”： 采用平均电流控制法，输入电流失真小于3 ，功率因数接近于l ； 高带宽( 5 m h z ) 、低失调电流放大器； 具有更快的响应速度和更高精度的使能比较器和一个增强的乘法除法器 电路： 9 湖北工业大学硕士学位论丈 低启动电源电流( 3 0 0 # a ) ； 集成的电流和电压放大器输出筘位电路； 适用电压范围宽。 v am u l lcpk o u to u io u tl _ 盯r e f v c c d r v g n d 1 8 1 ：h b e ct 鞭i 图2 2u c 3 8 5 4 a 结构框图 u c 3 8 5 4 a 有1 6 个端子，参看图2 2 ，其功能说明如下： 1 盯n d ，接地端，器件内部电压均以此端电压为基准。 2 - - p k l m t ，峰值限制端，接电流检测电阻的电压负端。当电流峰值过高时， p w m 的输出将被关闭。 3 c a o u t ，电流误差放大器的输出端，向脉宽调制器输出电流校正信号。 4 一i s e n s e ，电流检测端，构成电流误差放大器的反相输入端，外部经电阻接电 流检测电阻的电压正端。 5 一m u l to u t ，乘法器输出端，构成电流误差放大器的正相输入端，外部经电 阻接电流检测电阻的电压负端。 l a c ，乘法器的前馈交流输入端，构成乘法器输入端b ，外部经电阻接整流 输入电压的正端。 7 一r ao u t ，电压误差放大器的输出端，构成乘法器输入端a ，外部接r c 反 馈网络。 8 一v i m s ，电源电压有效值v r m s 端，经过平方器后构成乘法器输入端a ，起 前馈作用：v r m s 的数值范围为1 5 4 7 7 v 。 9 _ v re f t 基准电压端，产生7 5 v 基准电压。 l e n a ，使能控制端，通过逻辑电路控制基准电压、振荡器、软启动等。 1 1 一v s e n s z ，输出电压检测端，构成电压误差放大器的反相输入端。 1 2 _ r s e t ，外接电阻r s 耵端，控制振荡器充电电流及限制乘法器最大输出。 一： v 湖北工业大学硕士学位论文 1 3 s s ，软启动端，与电压误差放大器的同相端相连。 l 仁c t ，外接电容c t 端，研为振荡器定时电容，使产生振荡频率。t 1 5 一v c c ，芯片的供电电压端，典型值为2 0 v 。 1 6 一g t d ，p w m 的输出端，接功率开关管的栅极，该端电位筘位在1 5 v 。 图2 3 为u c 3 8 5 4 a 控制的b o o s t 型功率因数校正电路的基本原理图，山功率 电路和控制电路两部分组成。控制电路是一个双闭环控制系统。外环是一个电压 环，它使输出电压保持稳定：内环是一个电流环，它使输入电流跟踪输入电压呈 正弦波形，且与输入电压同相”。该电路的核心是电流调节器，它由线性乘法器、 电流误差放大器和p w m 比较器组成“”。在电流调节器的作用下，输入电流跟踪输 入电压呈正弦波形，且与输入电压同相。 图2 3u c 3 8 5 4 a 控制的b o o s t 型功率因数校正电路原理图 输出电压的取样电压与参考电压相比较、放大后，输出误差信号。将该误差 信号连同整流电压取样值、输入电压有效值取样值一并送入乘法器作运算。乘法 器的输出i m o 作为电流反馈控制的基准电流信号。电流检测值与之经过电流误差 放大器比较后送至脉宽调制器，经输出级输出不同宽度的触发脉冲来控制开关管 s 1 的通断，调节输入电流平均值。这样以来，电流误差被迅速而精确地校正，结 果使输入电流与整流电压波形一致。 基准电流信号i m o 在电阻r m o 上所产生的压降具有与输入整流电压相同的波 形，输入电流l l 通过电流取样电阻r s 产生电流取样电压v s ，它与r m o 上的电压 相减后加在电流误差放大器的输入端。由于电流环是无差的，因此，r m o 和r s 上 湖北工业大学硕士学位论文 的电压差等于零，迫使主回路电流跟踪输入整流电压的波形呈正弦波形，从而使 输入电流呈正弦波形。由于电流坏有较高的增益带宽，使跟踪误差产生的畸变 小于1 ，容易实现接近于1 的功率因数。这一结果的实现是靠p w m 丌关电路来 完成的，电流误差放大器输出电压与一个三角波电压在p w m 比较器中比较后产生 一个p w m 触发脉冲，去驱动功率丌关管，脉宽调制的高频开关电流在升压电感l 的作用下整个周期向负载提供电能，而不是像普通整流电路那样，只在电压峰值 时提供电能。 开关管的触发脉冲的宽度同时受四个独立的输入信号所控制：输出电压检测 信号v s e n s e 、基准电压取样信号i a c 、输入电流取样信号v s 及电网电压有效值 v r m s “”。输出电压检测信号v s e l q s e 作用于电压环，旨在保证输出电压稳定。整流 电压取样信号i a c 是输入电流的跟踪对象。输入电流取样信号v s 通过电流环的调 节作用，使输入电流跟踪输入电压呈正弦波形。在乘法器中引入电网电压有效值 v r m s 起到了前馈作用，使芯片内部筘位于u r m s ，消除了输入电压对电压环放大倍 数和输出功率大小的影响。 ( 1 ) 输出电压检测信号v s e n s e 为了使输出电压稳定在3 6 0 v 左右，输出电压经低通滤波器将1 0 0 h z 交流分量 滤掉后，与3 v 直流基准电压比较，其误差信号经电压误差放大器v a 放大后，成 为乘法器的输入电压信号v v m 。 ( 2 ) 基准电压取样信号i a c 为了使输入电流为正弦波，且与电网电压同相，必须将输入电压作为基准波 形送入乘法器。基准电压经电阻r a c 转换成电流信号i a c ，与电压误差放大器输出 信号v v e n 相乘后作为电流控制环的基准信号。其基准电压取样信号为： ry “ 2 矿m r mi s i n ( 埘f ) i “ r c rc(2-2) ( 3 ) 输入电流取样信号v s 电流取样电阻r s 上的压降v s 作为输入电流取样电压，通过电流环的调节作 用，使输入电流跟踪输入电压呈正弦波形。 ( 4 ) 电网电压有效值v r m s 加到该脚的电压与整流之后电网电压的有效值成比例，它在u c 3 8 5 4 a 内被平 方化，然后送入乘法器，乘法器的输出是个电流，它随6 脚i a c 电流和7 脚v a o u t 电压增加而增加，随v r m s 的平方而减小，使放大器按电网电压有效值的平方来分 流电网电流，因此，在负载功率恒定不变但输入电压变化时，输出电压也立刻变 化，并缓慢的恢复到调节电平，维持输出电压稳定不变。 湖北工业大学硕士学位论文 2 4 功率电路参数的设计 2 4 1 开关管s 1 和二极管d 1 的选择 选择丌关管和二极管的原则是必须确保它们长期可靠地工作1 。丌关管所能 承受的电流应该大于或等于电感器中的最大峰值电流，能承受的电压也应该大于 或等于输出电压，二极管的选择也需要考虑这两个方面。由于开关管必须通过满 载电流、再加上其反相恢复电流，所以峰值功耗很高，为了减少丌关管的导通损 耗，输出二极管必须选择反相恢复速度非常快的快恢复二极管，这样也降低了其 自身的损耗。选择开关管和二极管必须考虑留有一定裕量。 在本课题中，电感峰值电流的最大值为3 9 a 左右，功率开关管选用l r 公司 m o s f e t 型号为i r f p 5 6 0 ，耐压5 0 0 v ，允许通过最大电流5 0 a ，导通电阻0 2 7 q 。 二极管选用d s e l 6 0 0 6 a ，耐压6 0 0 v ，允许通过最大正向电流6 0 a ，反向恢复时 间为3 5 n s 。 2 4 2 储能电感的设计 p f c 电感同时工作在两种工作方式：功率因数校正方式和储能方式“。前者 通过较大的高频脉动电流，要求电感器铁芯有较高的饱和磁通密度，后者要储存 和释放所有传递给负载的能量，其损耗较大，温升较高，在设计p f c 电感时，这 两个问题都要考虑。 流过p f c 电感的电流是一种不等幅的高频脉动电流，且脉动幅度较大。电感 量的大小决定了输入端的高频纹波电流总量，因此可以按纹波电流值来选择电感 量“。首先得考虑输入电流峰值，输入电流峰值的最大值出现在最小输入电压时， 并由下式给定： 1 n e ( p k ) = 窨 江。， 在本设计中，按电网波动1 0 ，其最小输入电压为1 9 8 v ，计算可得，输入 电流峰值的最大值为3 5 7 a 。 电感器中的纹波电流峰一峰值，通常选择为输入电流峰值的最大值的2 0 左 右”“。计算得纹波电流峰一峰值为： a ；0 2 一e ( 肚) ；o 2 3 5 7 = 7 1 4 a 。 一个大纹波电流将使变换器进入断续导通型工作方式，对多数整流电路的电 流周期来说，也意味着输入滤波器必须衰减更多的高频纹波电流。具有平均电流 湖北工业大学硕士学位论文 型控制的u c 3 8 5 4 a ，允许升压级在连续或断续工作模式之间移动，而其性能不变。 电感值根据低输入电压时半个正弦波顶部的峰点电流选择，或根据此处输入电压 和丌关频率的占空比选择。需要给出两个方程式如下，输入电流峰值最大时占空 比为： d ：= v o - v t , v e k ) 汤 ( 2 4 ) l：堕型!望(2-5) f s a 其中，p 如i r k ) 是输入电压最小时的峰值电压，即： v mt 止) = 2 1 9 8 = 2 8 0 v 。( 2 6 ) 计算可得d = 0 2 2 2 ，这里取f s = 7 6 k h z ，根据式( 2 - 5 ) 计算得l = l l 跏h 。 p f c 电感既要通过较大的峰值电流，又要储存较多的能量，所以其铁芯一般 选择有较高的饱和磁通密度及分布气隙的金属磁粉芯材料“3 “1 。由于铁粉芯价格 便宜，所以本课题选用铁粉芯作为p f c 电感的铁芯。铁磁粉芯材料内部自然形成 分布气隙，所以选用它作为磁性材料时，一般不用另丌气隙。 2 4 ，3 电流取样电阻的选择 在本功率因数校正电路中，需要采样主回路电流。电流的检测一般可以用直 接串电阻检测法或者电流互感器检测法。用电流互感器检测精度较高，但成本也 高，电路相对复杂。本电路中采用直接在变换器接地线返回端串联电阻检测电流 的方法“。 电流检测信号不能太小，如果太小容易被噪声或其他干扰信号淹没，但也不 能太大，因为取样电阻是串联在主回路中，太大会引起较大的功耗。一股的，设 计取样电阻两端峰值电压为1 v 比较合适“。电感峰值电流的最大值： 蛔砷) 一：l l i e ( p k ) + 芸( 2 - 7 ) 计算可得e ( p * ) m a x 为3 9 2 a ，所以检测电阻r s 的值应为船= 砑1 v 一2 5 m q ， 电阻上的最大功率损耗约为1 2 w 。由于电阻值很小，功率很大，实验中采用锰铜 丝进行电流检测”“。实际峰值检测电压约为l v 。 2 4 4 输出电容的选择 整流电路后面一般都需要并联一个大的输出电容器，它主要起三个作用： 湖北工业大学硕士学位论文 滤掉整流电压中的交流成分；当市电突然中断时，电容电压不能突变，由整流 电压慢慢下降到蓄电池输出电压，维持一段输出时问；抑制噪声，大电容处于 整流器和逆变器之问，既能阻止电网噪声通过逆变桥传到负载，又能防止逆变桥 自身产生的噪声传到电网3 。 选择输出电容器时要考虑的因素主要有：丌关频率纹波电流、二次谐波的纹 波电流、输出直流电压、输出纹波电压和维持时问”。流过输出电容器的总电流， 是开关频率纹波电流的有效值和线路电流的二次谐波，通常选择大电解电容器作 为输出电容，其等效串联电阻随频率变化而变化，在低频时一般很高。电容器控 制电流总量还取决于温升。温升的确切值一般不必计算出，只要计算出由于高频 纹波电流和低频纹波电流引起的温升之和就足够了。 在输出电容选择上还要考虑输出的维持时间。维持时间是在输入电源被关闭 后，输出电压仍然保持在规定范围内的时间长度，其典型值为1 2 5 0 m s 。在具有 3 6 0 v 左右直流输出的电源中，其维持时间对电容值的要求一般为每瓦输出为l p f 。 如果不需要维持时间，电容就可以小得多，那么纹波电流和纹波电压就是主要的 考虑因素。 维持时间是如下电参量的函数：储存在输出电容器中的能量总和、负载功率、 输出电压及能使负载工作的最小电压，它可以用维持时间确定电容的公式来表示： c o ：三! ! 坚堕= ( 2 8 ) v o 一v o ( m i n ) 式中，c o 是输出电容的电容值，p o 是负载功率，i 是维持时间，v o 是输出 电压，v 0 ( m i i n 是维持负载工作