（电力电子与电力传动专业论文）一种新型单相两级pfc开关变换器的研究.pdf

r e s e a r c ho n an e ws i n g l e p h a s et w o j t i e ro f p f cc o n v e r t e r a b s t r a c t f o rr e d u c i n gh a r m o n i cd i s t o r t i o na n di n c r e a s i n gt h ep o w e rs u p p l yn e t w o r k e f f i c i e n c y , p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o ni sn e c e s s a r y p o w e r - f a c t o r 口f ) i so n eo ft h e q u a l i t yi n d i e so fe l e c t r i ce q u i p m e n t , a n di m p r o v i n gt h ep o w e rf a c t o ro fam o r e p r o - a c t i v ea p p r o a c hi st h ea d o p t i o no ft h ea c t i v e p o w e r - f a c t o r - c o r r e c t i o n ( a p f c ) t e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s ，w i t ht h es t r i c t e rq u a l i t yr e q u i r e m e n to fe l e c t r i ce q u i p m e n t , t h i st e c h n i q u eh a sb e c o m et h ef o c u si nt h ep o w e re l e c t r o n i c sr e s e a r c hf i e l da n dh a s b e e nw i d e l ya p p l i e d i nt h em i d d l i n gp o w e ro c c a s i o n s ，t h ev o l t a g ea n dc u r r e n to fs i n g l e - p h a s e s s i n g l e - t i e rp o w e r - f a c t o r - c o r r e c t i o n ( p f c ) c o n v e r t e rs t r e s ss t r o n g e r , a n dt h ee f f e c to f p fp r o o f r e a d i n gi sf a rw o r s et h a ns i n g l e - p h a s e t w o - t i e r , s or e s e a r c ho ns i n g l e - p h a s e t w o - t i e rp f ct e c h n o l o g yi so f g r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n da p p l i e dv a l u e t h i st h e s i si n t r o d u c e s t h ep f cd e v e l o p m e n ta n dt h es i g n i f i c a n c eo fp f c t e c h n o l o g ya n di n d i c a t e st h eh o ti s s u e sc u r r e n t l y a c c o r d i n gt ot h i sr e a l i t y , t h em a i n p u 叩o s eo ft h i sp a p e ri st os t u d yt h et r a n s f o r m a t i o no ft h eb o o s tp f c + h a l f - b r i d g e d c d ct w o t i e rp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i tt o p o l o g ya n dc o m p l e t e st h ed e s i g n o f a - 1 0 0 0 wt e s t e r t h er e s u l t so ft h ee x p e r i m e n ts h o wt h a tt h es i n g l e - p h a s e - t w o - t i e rp o w e rf a c t o r c o r r e c t i o nc o n v e r t e ri nt h ep a p e rh a st h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：s m a l l e rh a r m o n i c d i s t o r t i o no ft h ei n p u tc u r r e n t ，h i g h e rp o w e rf a c t o r , b e t t e rc h a r a c t e r i s t i co ft h eo u t p u t v o l t a g e ，a n de a s i e r t oc h a n g et h eo u t p u tm o d e lb yt h em o n i t o ro f m i c r o c h i p k e yw o r d s ：p f c h a l f - b r i d g ec o n v e r t e r b o o s tc o n v e r t e r t y p e o ft h e s i s ：a p p l i c a t i o nr e s e a r c h i i 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得的 成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名单位 发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人已经发 表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对本文的研 究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致谢。 糍谚夺 学位论文使用授权说明 年石月力( 同 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电f 版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提f ，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时问： 即时发布口解密后发卸 嘞铷鹤艘胛 广西大掌司n b 掌位论文 一种新茎0 簟相两级p f c 开关变换嚣的研究 第一章绪论 1 1 课题研究的意义【1 h 1 4 1 电能是迄今为止人类文明史上优质的能源之一。正是因为对电能的充分开 发和利用，人类才得以进入如此发达的工业化和信息化社会。虽然人类在电能 的产生、传输和利用方面已经取得了十分辉煌的成就，但是如何更加合理、高 效、精确和方便地利用电能，仍然是需要解决的重要问题。电力电子技术( p o w e r e l e c t r o n i c s ) 是一门多学科技术的交叉边缘学科，主要研究功率处理或功率变换。 它跨越了功率半导体器件，变换器电路，电机与电器控制，电磁兼容，控制理 论，微型计算机，超大型集成电路，电子计算机仿真设计等多个领域，已成为 一门新兴的高科技学科。然而随着电力电子技术的飞速发展，各种电力电子装 置在电力系统、工业、交通及家庭中得到了广泛应用，给电网带来了非常严重 的谐波污染。要解决各种用电设备输入端谐波电流造成的噪声和对交流电网的 谐波污染问题，以保证电网供电质量，可以通过两条途径：一是对电网实施谐 波补偿；二是对电子设备本身进行改进。相对而言，针对电网实施谐波补偿是 一种被动的方法；而要彻底解决谐波污染问题，必须针对电子设备本身，降低 或清除其产生的谐波污染，提高功率因数，因此，这便需要功率校正技术 p f c ( p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) 。从本质上来讲，功率因数校正技术的目的是要使 用电设备的输入端口针对交流电网呈现“纯阻性”，这样输入电流和电网电压为同 频同相的正弦波，功率因数为l ，不会产生谐波污染问题。 从实现功率因数校正的技术方案上来说，可以分为无源功率因数校正和有 源功率因数校正a p f c ( a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ) 诱j 种1 3 1 1 2 4 1 。 总体来说，无源功率因数校正方案的主要优点是：简单、成本低、可靠性 高，电磁干扰e m i ( e l e c t r o n i c m a g n e t i ci n t e r r u p t i o n ) 小。主要缺点是：尺寸大、 重量高，难以得到很高的功率因数，一般最多只能将p f 值提高到0 9 左右，同 时，工作性能与负载情况的变化，输入电压的变化相关，并且电感和电容之间 存在有大的充放电电流等。由于其不是本文研究的重点，故不对无源功率因数 校正方案做具体介绍。 从上世纪8 0 年代中后期开始，有源功率因数校正技术逐渐成为了电力电予 g - 西杰肖h 曩士掌位论文 一种新型单相两级p f c 开关麦换嚣的研究 技术研究领域的一个热点，各国学者从电路拓扑结构、控制策略、建模分析等 多角度对其进行研究。进入9 0 年代以后，p f c 技术取得了长足的进展，有关论 文不断出现，1 9 9 2 年以前p e s cr e c o r d so e e e 电力电子专家会议论文集) 上有关 功率因数校正技术的报道很少，从1 9 9 2 年起，p e s c 设立了单相功率因数校正 技术专题，这被看作是单相有源功率因数校正技术发展的里程碑。从此，不断 有新颖的功率因数校正原理、拓扑结构及控制方法出现。有源p f c 控制器由分 立电路发展到集成电路，p f c 技术由理论研究也逐渐发展到实用化。 近年来p f c 技术研究的热点问题集中在以下几个方面1 1 h 明： ( 1 ) 新型拓扑结构的提出。主要是基于己有的或新的原理得到的新的拓扑结 构； ( 2 ) 把d c d c 变换器中的新技术( 如软开关技术) 应用于p f c 电路中； ( 3 ) 新的控制方法，以及基于新拓扑的特殊控制方法的研究； ( 4 ) 单级p f c 变换器的研究，其性能f i n d 和p f ) 比没有p f c 的方案好，但 远不如两级p f c 方案。 综合上述，选择此课题研究的目的和意义主要有如下几点： ( 1 ) 前级b o o s tp f c 可以实现宽范围、高功率因数的输入； ( 2 ) 后级采用半桥d c d c 变换起到隔离效果，同时也稳定的直流输出，达 到比较好的输出电压调整效果； ( 3 ) 克服了单级p f c 电路存在一个非常严重的问题：当负载变轻、达到临晃 连续状态时，需要中间储能高压电容； ( 4 ) 采用了新的器件，譬如采用c o o lm o s 和s i c 二极管有效降低了导通损 耗，课题有很强的实际意义。 1 2 两级p f c 变换器的优点和研究现状 设计一个具有较高功率因数的电源有两种方法：第一，单级p f c 变换器； 第二，两级p f c 变换器【1 9 1 - 羽。 单级p f c 适用于小功率应用场合，它是努力将p f c 级和d c d c 功率级中 的一些元件共用，通常公用的元件是m o s f e t 。与传统的两级p f c 电路比较， 节省了一个m o s f e t ，但增加了一个二极管”4 1 1 1 7 2 5 1 。 两级p f c 适用于较大功率输出的应用场合，它是通过在整流滤波和d c d c 2 ，呵大掌硕士掌位论文 一种新型单相两级p f c 开关变换器的研究 功率级之间串入一个有源p f c 作为前置级来实现的。主要研究方向是b o o s tp f c 功率级的软开关技术和p f c 的控制技术，本课题主要研究的即是单相两级p f c 变换器【9 h 删。 两级p f c 变换器分别的组成：前一级是p f c 级，后一级是d c d c 变换器， 两级有各自的控制电路，其突出的优点是具有比较高的功率因数，适合于大功 率场合。在2 0 世纪9 0 年代初，美国科罗拉多大学的e r i c k s o n 教授将前置级的 b o o s t 电路和后级的f l y b a e k ( 反激) 变换器或者f o r w a r d ( 正激) 变换器的m o s f e t 公用，提出了所谓的单级p f c 变换器。根据i e c l 0 0 0 3 2 标准只对各次电流谐 波做了要求而对功率因数并没规定，一个功率因数只有o 7 0 左右的开关电源仍 然能可以满足各次电流谐波的要求。与真正的有源p f c 技术不同，它对功率因 数仅作开环控制，事实上单级p f c 技术已不能称为p f c 技术，但是鉴于传统习 惯仍称为单级p f c 技术。与两级p f c 变换器方案相比，单级p f c 电路实际存在 一个非常严重的问题：当负载变轻、达到临界连续状态时，由于输出能量迅速 减小，但控制占空比( 由负载决定) 没有变化，输入能量维持不变，使得输入 功率大于输出功率，多余的输入能量将对中间储能电容充电，电容两端的电压 升高，占空比减小，从而使得输入功率减小达到一个新的平衡。这一过程中中 间储能电容两端电压达到一个很高的数值。对于1 0 0 2 6 5 v 的交流电网，该电 压甚至会超过1 0 0 0 v 。就目前电容技术和功率器件技术而言，这么高的电压都不 是实际的，因此很难得到实际的应用。据报道现在有将电容电压降低到4 5 0 v 以 内的电路拓扑出现，但有许多问题有待进一步解决( 例如将中间电容电压降低 到4 0 0 v 以下) ，分析与设计还有很多工作要做，与两级p f c 技术的实际应用相 比还有很大差距。另外，单级变换器只用一个开关同时控制输入电流的校正和 输出电压的调节，但是单级p f c 变换器的输入电流不是正弦波，有较大的电流 畸变，远没两级p f c 变换器减少输入电流谐波效果好。高压电解电容的容量增 加，他的成本和体积也会提高，所以虽然单级p f c 变换器采用一个开关和一套 控制电路节省了成本和体积，但在维持时间要求的通用输入情况下，相对两级 p f c 变换器，单级p f c 变换器也没有价格优势，因此在实际工程中很少采用。 本设计采用的是两级p f c 的组成如图1 1 所示。两级p f c 变换器由两个独 立的单元组成，前端的p f c 级一般是b o o s t 或者b u c k b o o s t 变换器。虽然增加 了校正电路，使得整个电源效率有所降低，但是相对单级p f c 而言降低了开关 器件上电压的应力，输入电流畸变较明显减小，开关峰值电流也较小。 3 广西大擘闽陆掌位论文 一种新型单相两级p f c 开关变换嚣的研究 p f c 控制器自动检测线电压的波形，并且强制输入电流跟踪输入电压，从 而达到输入功率因数的校正目的。输八电压在1 0 0 2 6 5 v 之间变化时，直流侧电 压通常被调整到3 8 5 v 左右，这么高的直流电压可以使用很小的电容就可以达到 维持时间的要求。另外由于直流电压的幅值波动较小，因而提高了d c d c 输出 级的效率。由于d c d c 变换器的输入和输出电压都是常量，因此d c d c 变换 器的开关占空比基本是恒定的。 v i 图1 - 1 单相两t g i p f c 变换器结构图 f i g 1 1s i n g l e p h a s et w o t i e rp f cs t r u c t u r e 1 3 本课题所做的主要工作 本课题设计、调试了一台单相两级p f c 变换器，根据设计指标要求主要做 了以下工作： ( 1 ) 分析了两级p f c 变换器的电路拓扑，结合实验室条件采用b o o s t + 半桥电 路的电路拓扑； ( 2 ) 按照变换器的设计方法设计了主电路的结构和参数。主要有：主电路的 选择、变压器设计、电感电容设计、主功率管的选择以及控制芯片外围电路的 设计和元件的选择等等。尤其采用英飞凌公司的c o o lm o s 开关管，有效降低了 整个电源正常工作时的温度； ( 3 ) 采用德州仪器公司生产的u c 3 8 5 4 a b 和u c 3 5 2 5 两种集成控制芯片和相 关外围电路，分别实现了对b o o s tp f c 变换器和半桥变换器开关管控制； ( 4 ) 调试了整个装置，测量了主要波形。 4 j 。西大掣q 薅士掌位论文一种新型单相7 l t r 船kp f c 开关竞换嚣的研究 第二章b o o s tp f c 级电路的设计 2 1p f c 部分主电路原理【1 9 】【2 司 2 1 1 电压型整流电路的理想状态分析 假设输入电网电压u i 为正弦，整流电路无内部损耗，输出电压u o 无纹波， 要求网侧功率因数入= 1 ，即 虬2 u m s i n c o t ， u oi u o 网侧电流 由 t 。= i 。s i n o t m = u d o 输出电流毛= 瓦u i , = 旦旁s i n 2 研= 厶( 1 一c o s 2 耐) 式中厶：坠 ” 2 u o ( 2 1 ) 电路输出的瞬时功率p o 为p 0 = u o i o = u o 0 ( 1 一c o s 2 r o t ) ( 2 。2 ) 电路输出功率的平均值p o 为： 最= 1 r p o d t = “厶 ( 2 3 ) 上式表明，为实现f = l u = s i n o t 的目标，在理想状态下，电压型整流电路的 输出电流f 0 为脉动电流并包含直流分量厶和二次谐波1 0 c o s 2 0 t 。 2 1 2p f c 主电路原理 p f c 部分主电路示意图如下： 5 g - 西大掌硕士掌位论文 一种新型单相胃& p f c 开关变换嚣的研究 v i 图2 1 单 h b o o s tp f c 变换器控制功能图 f i g 2 - 1s i n g l e p h a s eb o o s tp f cc o n t r o lf u n c t i o n s 网侧电压k = c s i n c o t ，则不控整流桥输出电压珞为： 吃= 吲= v , 。i s i nc o t l 当q l 和d o 交替导通p f c 电感0 时两端电压为： = 肛v - v 呻s = 砌v , s i l n 卅( o ，屹d , 0 9 8 输出电压：3 8 5 v 输出功率：1 0 0 0 w ，考虑到整机的传输效率( n = o 8 考虑) ，p f c 部分应为1 2 5 0 w 2 2p f c 主电路元件的选择与设计 2 _ 2 1b o o s tp f c 储能电感的设计 电磁感应的基本公式： e ：三堕e ：l 竺 d tt 经过简单变换得到电感计算公式： 上：e 二 a i 7 ( 2 8 ) 但- 9 ) , - 西大掣q 嚣士掣啦论文 一种新型单相两缓p f c 开关变换器的习 究 电路不同，e 和t ( t o n 或者t o f v ) 也不同。 p f c 电路实际上是一个升压电路。在t o n 期间，l 上的电压为e i ，电流增量 i ( + 产e t o , l ；在t o f r 期间，l 上的电压极性相反为e o - e , ，电流减量为 a i ( 户但。- e i ) 1 赫l 。a i ( + ) a i ( - ) 的绝对值相等。因此，在a p f c 电路的表达 式为： 工2 互r o a i三= ( e o 一层) f 2 1 0 ) 这就是计算a p f c 电感值的基本公式。但是，数值的确定，根据电路提供 的数据是无法求得的。多数资料和文献上，这个出值是根据一定条件下来设定。 美国变压器设计和应用手册是以输入电流平均值的2 0 倍设定，这是因为 这个值是可以计算出来的。 美国变压器设计和应用手册上的公式是： ：鱼婴缕! ! 二监1 2 ( 2 1 1 ) 式中，r=，iota=01io，dm。=慨嵋搓，(1-d一)=。(2-12)0min ，1l n，l o 用t o n 代替t d 。，此公式就成为： 三毛丢娜= 器 陋聊 公式中0 2 , 即相当于址，此式又可写成： 三= 告争警阿= 糍茅 厶。2晶l 昂jo 2 厶爵 、7 美国联信公司用于开关电源的功率因数校正电感的设计一文中，其，则 以吃与饱和磁通密度忍的比值作为的系数，即，= ( 吃b ) ，由于易与功耗 关系很大。材料不同，选取的吃点也不同，一般根据所选用的材料确定使得 蛾岛的比值在o 1 5 o 3 之间。 本课题采用输入电流平均值的2 0 倍设定。b o o s t 型p f c 电路中电感的设 计应根据输入电压、直流测电压、输入电流和开关频率等综合考虑。设计时首 先应考虑允许电感电流的最大纹波值，为了提高高压电容的使用寿命，规定输 入电感纹波电流的峰一峰值为最大输入电流的4 0 。输入电流有效值为输入电 8 - 西大掣啊i n b 掣啦论文 一种新翌单相两飒p f c 开关变换嚣的研究 压最低，输入功率最大时间的额定电流有效值为： 厶一一= 匹p mm a x = 杂：= i 石丽1 0 0 0 - 1 2 1 5 ( 一? ( 2 1 5 ) ， = 二_ 忙= 一= l z ，呵-z 1 i 一一曲玎+ u 埘埘i n8 0 + 1 0 0 、一： 输入电压最低时的开关占空比为： dudc-u#_m385-100 x压。o6327( 2 1 6 ) u d c 3 8 5 输入电感为： 。 工：u 砷m m x _ o ：! 壁：罂：竺： ! q ! 型三! ! ：! ! 兰! ；：u n 4 2 1 8 ( m r r r )l= = 。一= ：= z i6 j 五x m 工x 0 4 x 厶。, 2 3 0 x l 矿0 4 x 1 2 5 x , 2 二 根据电感大小和流过其电流，选取电感铁心： 4 4 瓮寺= 丝塑篆箍掣硼c 砷 其中，氏为有效铁心截面积，a c 为窗口面积，l 为电感值，l 。为电感电 流最大有效值，乙为电感电流最大峰值( 在本电路中o ：压( 掣+ 1 ) l 一一) ， b u 为饱和磁通密度( 一般m 。z l i 铁氧体取0 5 t 、n i z l i 铁氧体取0 3 - 4 ) 4 t ，本设 计中以0 3 计算) ，砬为电感绕组导体的电流密度( 一般预估计为2 3 a r a m 2 ，本 设计中取o 2 ) ，k 为绕组在铁心窗口中的填充系数( 一般取o 4 ) 。绕组匝数的计算， 考虑到饱和裕量，取最大电流比峰值电流大1 a ： n ：兰- ：7 5 ( 匝) 风。4 2 2 2p f c 级输出滤波电容设计 开关电源的可靠性高若除掉电解电容器，即使偶发生故障也不会有问题。 现在的电解电容器在1 0 5 。c 情况下，一般能保证寿命为1 0 0 0 2 0 0 0 h ( 新出现的 长寿命电解电容器不是一般情况) ，与其他元器件相比，其寿命非常短。电解电 容的寿命相对温度变化称为“阿雷尼乌斯( a r r h e l f i u s ) 的1 0 原则”，即温度升 高i o 。c ，寿命减半。因此，1 0 5 ( 3 时电解电容器的寿命为1 0 0 0 h ，而在6 5 使用 9 广西，“煳士掌位论文 一种新型单相两级p f c 开关变换器的研究 时其寿命为1 6 0 0 0 h 。在接近常温的环境温度中使用时，或者在8 0 使用1 0 0 0 h 改为在1 0 5 c 使用l o o o h ，“1 0 原则”对其是否适用，还有不清楚的问题。然而 电解电容器的寿命决定电源装置的寿命，这点是不能改变的。正是如此进行电 解电容器的设计是十分重要和必要的。 涉及输出电容器的选择因数主要有：开关频率纹波电流、二次谐波纹波电 流、直流输出电压、输出纹波电压和维持时间。流过输出电容器的总电流，是 开关频率纹波电流的均方根( 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而变化，在低频时一般很高。 通常电容器总量还取决于温升。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。电容器数据表一般 会提供必要的等效串联电阻和温升值。 在输出电容选择上还要考虑输出维持时间。维持时间是在输入电源被关闭 之后，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 5 5 0 r n s 。在 具有4 0 0 v d c 输出的离线式电源中，其维持时间对电容值的要求一般每瓦输出为 1 2 心。 维持时间是如下电量的函数：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，它可以使用支撑时间确定电容公式来表 示为： c n ：娄2 尝 ( 2 1 7 ) 。搿一。) 式中，c o 是输出电容，p o 是负载功率，a t 是维持时间，k 是输出电压，r o f 。l 是 维持负载工作的最小电压。在本课题中综合考虑选取3 2 0 l af ，4 5 0 v 电解电容。 2 3p f c 级开关元件的选择“6 1 2 3 1 主功率管q l 的设计 考虑到电流纹波的因素，流过o l 的最大峰值为： 乞im a x = ! 号姜i 警= 三訾= z ，z c 4 ，c z - t s ， q l 承受的最大反向电压为输出电压3 s s ( v ) 。 1 0 一种新型单相两级p f c 开关蔓换器的研究 所选择的开关管允许的峰值电流应大于毛l 。，并留有一定的裕量，在本电 路中选择的开关管为德国英飞凌公司晶c o o l m o s “系列产品，型号为： s p p 2 0 n 6 0 c 3 f 2 0 a 、6 0 0 v ) 。 2 3 2 二极管的设计 流过二级管的最大电流峰值为： 厶2 一m a x = 乇t m “= 1 2 x 压尼一 1 2 2 x 1 0 0 0 ，7 x m 0 8 x 1 0 0 = 2 1 2 ( 爿)( 2 - 1 9 ) 考虑到一定的裕量本电路采用的是两个英飞凌公司的s d t 2 0 s 6 0 ( 2 0 a 、6 0 0 v ) 并联使用。 综合上述，p f c 部分主电路设计如下： 图2 - 2 b o o s tp f c 主电路设计图 f i g 2 - 2b o o s tp f cc i r c u i td e s i g n 2 4p f c 控制电路的设计 2 4 1 控制方法和主流p f c 控制芯片介绍 2 4 1 1 控制方法的介绍 按照测量控制输入电流方法的不同，a p f c 可以有多种控制方式，常用的控 制方法有三种，下面分别介绍这三种方法的基本原理【1 1 2 1 2 4 1 。 ( 1 ) 电流峰值控制 1 l 3 - 西，“煳士掌位论文一种新型单相两级p f c 开关变换器的研究 在这种控制方式下，首先由整流桥输出电压的检测信号和电压环误差放大 器输出信号的乘积产生基准信号；然后用开关管电流取样信号与此基准信号相 比较，当开关管电流取样信号的峰值小于基准信号时，开关管导通；当开关管 电流取样信号的峰值大于基准信号时，开关管闭合。峰值电硫控制工作波形如 图2 3 a 所示，这种控制方式采用电流不连续工作方式，电路简单，易于实现， 但是它的缺点是：电流峰值大，开关管的电流应力也大，高次谐波含量大。 ( 2 ) 电流滞环控制 这种控制技术也称为双基准开关管控制法( b b i ) ，在这种控制方式中，采用 两路电流基准信号控制输入端电感电流，当电感电流下降到下基准信号时，导 通开关管使开关管电流上升；当电感电流上升到上基准信号时，关闭开关管使 电感电流下降。电流滞环控制工作波形如图2 3 b 所示，这种控制方式的缺点是： 开关频率受负载影响太大，使输出滤波器的设计难以优化。 ( 3 ) 平均电流控制 在这种控制方式下，同样由整流桥输出电压的检测信号和电压环误差放大 器输出信号的乘积产生基准信号，此基准信号与电感电流采样信号经电流误差 放大器比较后输出，然后与锯齿波比较后，给开关管输出p w m 驱动信号。通过 这种方式使输入电流的平均值跟踪输入电压的波形，可使输入电流和输入电压 同相位，实现接近l 的功率因数。平均电流控制工作波形图如图2 3 c 所示。 这种控制方式的优点是： ( 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、e m i 滤波器体积小； ( 3 ) 能抑制开关噪声； ( 4 ) 输入电流波形失真小。 主要缺点有：控制电路复杂；需要乘法器；还需要检测电感电流，添加了 电流控制环路。这种方法是目前在高频开关电源中使用最广泛的一种a p f c 控 制方法，这也是本论文所采用的电流控制的方法。 1 2 ，西大掣h 甄士掌位论文 一种新型单相两级p f c 开关变换嚣的研究 朋2 - 3 t t - t 聋- o f t 电流控制工作波彤 王 t t 图2 3b o o s tp f c - ! 种控制方式波形图 f i g 2 - 3t h r e eb o o s tp f cc o n t r o lw a v e f o r m 2 4 1 2 主流p f c 控制芯片和u c 3 8 5 4 a ，b 的介绍 目前世界上许多大的集成电路制造公司纷纷推出用于有源功率因数校正集 成电路控制芯片。主要有：美国的德州仪器( t i ) 公司、安美森( o n s e m i ) 公司、 f a i r c h i l d 公司、凌特( l i n e a r ) 公司、国际整流( i r ) 公司、意发s g s t h o m s o n ( s t ) 半导体公司和德国的英飞凌( i n f i n e o n ) 公司。值得一提的是安美森公司、s t 公司 和l n f i n e o n 公司为了用户使用方便，还推出了有关的计算机辅助设计软件。其中， s t 公司设计软件是基于w i n d o w s 的图形化操作界面，安美森公司和i n f i n e o n 公 司是基于m i c r o s o t j t 的e x c e l l 设计表格。它们的共同特点是使用方便直观，极大 地方便了用户有源功率校正电路的设计。t i 公司用于功率校正电路的控制芯片 主要有：u c 3 8 5 4 ( 包括改进系列) 、u c c 2 8 0 5 0 、u c c 3 8 1 7 a 、u c c 2 8 5 1 x 高级控 制芯片( 将a p f c 和p w m 控制芯片集成到同一芯片中) 。t i 公司的a p f c 系列芯 片特点如下表： 1 3 广西大学硬士学位论文 一种新型单相两级p f c 开关变换器的研究 1 4 ，1 直大掣强甄士掌位论文 一种新型单相两级p f c 开关麦换嚣的研究 u c c 2 8 5 4 5 6 7 p f c + 薹p 篓w m - p f c a c m j 蒜一6 0 00 1 叫静， ： 一 ”。：一 控制器 。 ( u 妄二矗伪 注：1 c r m ：临界导通型；a c m ：平均电流型； 2 z v t ；零电压转换： 3 u c c 2 8 5 1 0 1 2 3 和u c c 2 8 5 4 1 5 6 7 的主要区别在于p w m 部分工作频率与p f c 部分 的比率不同，前者为后者为2 x 本课题采用的是改进型p f c 控制器u c 3 8 5 4 a b ，其主要功能特点如下：控 制升压p w m 接近单位功率因数1 0 ；将电网电流失真控制在3 以下；可以进 行精确的功率限制；具有高带宽( 5 m h z ) 、低失调的电流放大器；具有集成式电 流电压放大器输出箝位电路；乘法器为改进型，其线性度更好，可进行5 0 0 m v 补偿，消去了外部电阻器，具有o 5 v 的共模范围；具有更快的改进型精密 e n a b l e 比较器；可选择欠压锁定限制电压，即可选择( 1 6 v i o v ) 和o o 5 v n o v ) 中的任何一个作为欠压锁定门限电压；具有3 0 0 p a 的启动电源电流。其逻辑功 能图为： v 抛拜c p k o u to u to u tl 埘tr b = 镕 i c v e 8 v c c a t d r y g r i d j 瑚鼬拒 0 1 r s e t 图2 - 4u c 3 8 5 4 a b 内部结构图 f i g 2 - 4u c 3 8 5 4 a bi n t e r n a ls t r u c t u r e 以下结合图2 _ 4 介绍u c 3 8 5 4 b 内部的各个功能模块： 欠压封锁比较器( u v l c ) ：电源电压v c c 高于1 6 v 1 0 5 v 时，基准电压建立， 振荡器开始振荡，输出级输出p w m 脉冲。当电源电压v c c 低于1 0 v 时，基准 1 5 广西大掌硕士学位哉吁一种新型单相两级p f c 开关，：换嚣的司”宅 电压中断，振荡器停振，输出级被锁死。 使能比较器( e c ) ：使能脚( 1 0 脚) 输入电压高于2 6 5 v 时，输出级输出驱动脉 冲，使能脚输入电压低于2 1 5 v 时，输出级关断。以上两比较器的输出都接到与 门输入端，只有两个比较器都输出高电平时，基准电压才能建立，器件才输出 脉冲。 电压误差放大器( v e a ) ：功率因数校正电路的输出电压经电阻分压后，加到 该放大器的反相输入端，与3 v 基准电压比较，其差值经放大后加到乘法器的一 个输入端( a ) 。 乘法器( m u l ) ：乘法器输入信号除了误差电压外，还有与已整流交流电压成 正比的电流i a c ( b 端) 和前馈电压v r m s 。 电流误差放大器( c e a ) ：乘法器输出的基准电流i m o 在r m 。两端产生基准 电压。电阻r 5 两端压降与r m 两端电压相减后的电流取样信号，加到电流误差 放大器的输入端，误差信号经放大后，加p w m 比较器，与振荡器的锯齿波电压 比较，调整输出脉冲的宽度。 振荡器( o s c ) ：振荡器的振荡频率由1 4 脚和1 2 脚外接电容c t 和电阻r e s e t 决定，只有建立基准电压后，振荡器才开始振荡。 p w m 比较器伊w mc o m p ) ：电流误差放大器输出信号与振荡器的锯齿波 电压经该比较器后，产生脉宽调制信号，该信号加到触发器。 触发器( f l i p f l o p ) ：振荡器和p w m 比较器输出信号分别加到触发器的 r l s 端，控制触发器输出脉冲，该脉冲经与门电路和推拉输出级后，驱动外接 的功率m o s f e t 。 基准电源( r e f ) ：该基准电压受欠压封锁比较器和使能比较器控制，当这 两个比较器都输出高电平时，9 脚可输出7 5 v 基准电压。 峰值电流限制比较器( l m t ) ：电流取样信号加到该比较器的输入端，输出电 流达到一定数值后，该比较器通过触发器关断输出脉冲。 软起动( s s ) ：基准电压建立后，电流源对s s 脚外接电容c s s 充电，刚开始 充电时，s s 脚电压为零，接在s s 脚内的隔离二极管导通，电压误差放大器的基 准电压为零。u c 3 8 5 4 a b 无输出脉冲。c s s 充足电屠，二极管关断，软起动电 容与电压误差放大器隔离，软起动过程结束，u c 3 8 5 4 a b 正常输出脉冲，发生 欠压封锁或使能关断时，与门输出信号除了关断输出外，还使并联在c s s 两端的 内部晶体管导通，从而使c s s 放电，以保证下次起动时，c s s 从零开始充电。 1 6 广西大掌硬士掌位论文 一种新型单相两级p f c 开关，：换器的研究 u c 3 8 5 铂也是在原工业级标准产品u c 3 8 5 4 的基础上改进的，u c 3 8 5 4 b 的引脚和基本功能与u c 3 8 5 4 兼容，而特性有了多处改进。其中u c 3 8 5 4 a 可直 接用于原采用u c 3 8 5 4 设计的大多数p f c 电路，无需修改印刷电路板。 用u c 3 8 5 4 怕替代u c 3 8 5 4 ，可从原控制电路中减少以下5 个元件：用于 箝位电压放大器输出的二极管，用于箝位电流放大器输出的齐纳二极管，接在 i a c 端用于补偿偏置电流的电阻器，连接在v c c 端和电流放大器输入端之间的 电阻器，它能适应+ 4 m v 失调电压的最坏情况，用于箝位过流保护输入的肖特基 二极管，在p f c 预调节器过功率期间p k l m t 端电压远低于地电位时起作用。 另外，经v s e n s e 端接地的输出电压分压器反馈电阻数值必须降低，以适应放 大器基准电压从7 5 v 降低到3 0 v 的变化。 2 4 1 3u c 3 8 5 4 n b 对p f c 前端输入电流的功率限制 用u c 3 8 5 4 a 仍改进乘法器输出电流放大器输入的共模输入范围，允许设计 者在选择电流检测方法时有更大的灵活性。u c 3 8 5 4 a b 与u c 3 8 5 4 的不同之处 还有，r s e t 端只控制振荡器的充电电流，而不影响箝位最大乘法器输出电流。 理解u c 3 8 5 4 a ，b 的功率限制特性时，应注意乘法器输出电流的最大值并不直接 正比于流过r s e t 电阻器的电流，要限制它等于或者小于两倍的i a c 电流的瞬时 值。这一新的特点提供了一个很有效的限制p f c 控制器前端输入功率的方法， 使变换器仍维持正弦输入电流波形。若负载是一个负阻抗( 如d c d c 变换器) ， 在这种情况下要特别注意保证在所有工作平衡时，升压功率因数变换器的输出 电压应大于输入电压的峰值。通过设置d c d c 变换器的功率因数限制，就是保 证它低于p f c 级的最大功率控制能力。 为了给乘法器的调节确立一个直接的设计程序，首先要列出基本的关系式， 即乘法器输出电流i m o 与电流i a c 的比例在一个交流输入周期中是恒定不变的， 因为 耻产k = 以( 一1 5 ) i 丽。 ( 2 - 2 0 ) 式中：u 。为交流输入电压的有效值，u e a 为电压误差放大器的饱和电压，k 为 乘法器常数( k = 1 ) ，a 为u c 3 8 5 4 a b 的v r m s 端所接的分压比例系数。所以， i u o 与i a c 的比例为： 1 7 广西大掌硬士掌位论文 一种新型单相两级p f c 开关竞换嚣的研究 拈磐2 嚣 ， 厶c 置吖彳u e j ) 2 ”一7 该值只由输入电压的有效值和电网周期内的停留时间常数确定。 为了实现正确的功率限制，外围元件必须进行优化计算如下： 用输入电压峰值u 。和允许的i a c 电流最大值i a c 。计算r a c ，即 k ：刍产出( 2 - 2 2 ) 式中，l c 一6 0 0 t a 。 比例系数a 可由特定的最小输入电压值确定，此时电路提供满额定功率。 这表明电压误差放大器的输出l h 认将要饱和，l u o 将取理论上的最大值，即 2 i a c 。所需的a 值可由a = 4 2 2 求出。 v n r a i n 乘法器输出电流峰值i m o i 。可在输入电压取最小值计算u 。i 。 k 一= 导掣 ，。一将确定输入电流的最大值k 。，它将出现在最小电网电压u 。n 和最大负载条件下，可由下式求出： k = 瓦x 2 p i l , v t , e a ( 2 2 4 ) 式中：哪为输入功率最大值。k 一与。之间的关系可由电阻值。和 r m o 按下式确定： k = 。笋 ( 2 - 2 5 ) 假定心。已根据允许的电阻器做了选择，r m o 的计算如下： = 琶慕南( 2 - 2 6 )2 瓦焉齑 2 4 2 控制芯片外围电路的设计 u c 3 8 5 4 a b 的外围电路设计主要包括凡( 用于测量主电路输出电流) 的设计、 1 8 ，西大掌硕士掌位论文 一种新型单相两坦p f c 开关，：换器的研究 振荡频率的选取、峰值电流限制电路设计、电流环和电压环的设计等。 振荡频率的设定： 根据设计指标，确定振荡频率为3 0 k h z 。 r ：! ：垄 “r s 口x c t 其中i b e t ( 即为实际电路中r u ) i | r = 置l = 4 3 k ，则c “即为实际电路中 c 1 0 ) f f ；口： c r = = 万1 i 2 i 5= 菊五z 9 7 ( ，) 取1 。艘 ( 2 - 2 7 ) 的设计： 民2 e 0 7 。瓦0 7 5 瓦0 7 * 。0 3 3 ( q ) ( 2 - 2 8 ) k = 警= 茄“, - 8 7 2 ( 2 - 2 9 ) 1 “2 1 f 2 i 丽 刖w 当乘法器输出管脚通过4 k 电阻和r 。连接时，