（电力电子与电力传动专业论文）带功率因数校正的密封铅酸蓄电池充电装置的研制.pdf

翌垫皇里墼墼垂塑童墼塑墼董皇垫壅皇堑兰塑望型 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，ac h a r g e ro f s t o r a g eb a t t e r yw i t hp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) i sd e v i s e d a d d i t i o n a l l y , t h es u m m a r i z a t i o n ，i m p l e m e n tm e t h o d sa n dt h ec h a r g em o d ea f em a i n l y i n t r o d u c e d a sf a ra st h ec h o i c eo ft h ei ci sc o n c e r n e d ，t h ep f ca n dp w m c o n t r o l l e rc o m b ot h a ti s p o p u l a r a tt h e p r e s e n tt i m e i s c h o s e n ，b e c a u s ei tc a ns i m p l i f y d e s i g n sa n db e i n g s y n c h r o n i z e dt r i g g e rm o d ea d o p t e d ，i tc a nm a k ep e a kt op e a k r i p p l ev o l t a g em u c h s m a l l e v e no nt h ec o n d i t i o no fs m a l l c a p a c i t a n c e a sf o rt h ec h o i c eo ft h ec i r c u i t st o p o l o g y , t h ep f c s t a g ei sa d o p t e db o o s ts t r u c t u r ea n d t h ep w m s t a g ei sa d o p t e dt w ot r a n s i s t o r sf o r w a r da f t e rs e v e r a ls o r t so f a d v a n t a g e sa n d d e f i c i e n c i e so fc i r c u i t st o p o l o g ya r ec o m p a r e d i na d d i t i o n ，t h ep a p e rp r e s e n t st h ec i r c u i t m o d e l i n ga n di n t r o d u c e st h es i m u l a t i o no f f r e q u e n td o m a i n ，w h i c hc a nc o n f i r mt h er a n g eo fs y s t e mp a r a m e t e r s r e a s o n a b l y f i n a l l y ， t h ee x p e r i m e n tw a v e f o r m sa r ed i s p l a y e d a c c o r d i n gt ot h ee x p e r i m e n t r e s u l t s ，t h i sk i n d o fc i r c u i tp o s s e s s e sf a v o r a b l ef e a t u r e s k e yw o r d s ：p f c ，p f ca n dp w l v lc o n t r o l l e r c o m b o ，t w o t r a n s i s t o r sf o r w a r d l e a d i n g t r a i l i n ge d g em o d u l a t i o n j i 南京航空航天大学硕十学位论文 绪论 一、研究意义 早期的电气设备大多是简单的电感性和电阻性的设备，这些设备接到交流电网 时，引起的谐波电流很小，甚至没有。随着电子技术的发展，电子设备，如计算机、 打印机、电视机、音响设备，电子整流器、灯光调节器和节能灯的迅速增加，使得 谐波电流问题扩展到家庭和商业环境，降低了电网的供电质量。 从电路上分析使用二极管整流和可控硅相位控制电路是产生谐波电流的主要 原因，两种电路的典型入端电压、电流波形如图k 螽并赣 1 睃毋? a 不可控整流b 可控整流 图l典型a c d c 整流环节的输入电压和输入电流波形 两种电路的入端电流为非正弦波形，对电网造成谐波污染。过多的谐波电流成 份将会产生以下几个方面的危害： 1 使在电网传输线上流过大量无功电流产生过多的电能传输损耗。 2 使三相四线供电系统中的零线电流增大，容易导致零线过载。 3 引起电压失真，使接在同一电网的电机过热，降低其有效输出功率。 4 对接在同一电网中的电子设备，尤其是通讯设备，产生电磁干扰。 5 可能在供电系统中引起其它危害，如使电网电压产生波动，进而对接在同 一网络的照明设备的亮度产生变化，这种灯光的闪烁对人的健康特别有害。 这种低功率因数用电设备对电网产生的不利影响引起了国际社会的普通重视， 促使国际标准化组织开始制订新的电气和电子产品的标准，对交流电网进行规范和 净化。这些标准中最著名的就是老版本的i e c5 5 5 系列标准，近几年，i e c5 5 5 系 列标准又经过修订作为i e c l 0 0 0 3 系列标准出版( 见1 2 节) 。率先实施电磁兼容 性强制性认证的欧盟已将其纳入必须符合的e m c 标准范围。如何消除和抑制对公 共电网的污染，提高功率因数，已成为当今世界的重要研究课题。 另外由于大量机动车辆的使用，使得空气污染日益严重，并造成全球的温室 效应。因此使用电动车来取代现有的机动车。必将是大势所趋。另外，由于市电供 电质量较差对用电设备带来不利影响，因此l i p s 电源变得越来越重要，已经超出 了其刚开始出现时候“不间断电源”的概念，而成为一种不问断的并且提供优质电 三、本文的主要工作 带功率因数校正的密封铅酸蓄电池充电装置的研制 能的供电装置。而电池是电动车辆、u p s 电源主要能量的来源，此外还有很多需要 蓄电池的用电设备，可以说，蓄电池伴随着我们的生活，因此如何发展迅速有效可 靠的充电技术已成为一个重要课题。 二、国内外研究进展 由于功率因数低下造成的影响越来越受到人们的重视，因此经过这些年的研 究，单相有源功率因数校正技术已经发展很快，并得到了广泛的应用采用平均电 流控制的a p f c 电路功率因数已经可以做到0 9 9 以上。但是功率因数校正电路有很 多问题值得进一步研究比如系统的建模分析，动态响应等等。 另外现在国内做的a p f c 电路大多是使用u c 3 8 5 4 之类的单一p f c 控制器，如 粜需要降低电压则需要后面加一级d c d c 电路，用另外一个p w m 芯片来控制。 现在国外一些大公司陆续出现了一些p f c p w m 复合芯片，虽然国内的杂志上也能 看到一些关于这些芯片的介绍，但一般仅限于芯片本身的介绍具体做出电路并分 析其优越性的研究很少。 三、本文的主要工作 本文的主要工作是研制一个针对铅酸蓄电池的充电装置，要求对输入进行功率 因数校正，使用晟近几年国外使用越来越多的p f c p w m 复合芯片来实现这个功能。 本文将对p f c 电路进行系统建模、仿真，分析其稳定性和动态响应。并根据仿 真和实际的实验波形，分析这种应用越来越普遍的芯片的各种良好的特性。 由于研制的是充电装置，因此本文从蓄电池的内部结构出发，分析其特性，选 择最佳的充电方案，使蓄电池在充电过程中始终处于良好的工作状态，延长蓄电池 寿命。 2 南京航空航天大学硕士学位论文 第一章概述 1 1 功率因数的基本概念 功率因数的定义为： p f = 蒜= 丧 式中： v ，输入总电压有效值 i 一输入总电流有效值 其中 ，一- - 叫一2m + 二啦) + + ，毛( 。，+ = 1 f ，二t 。) tn = l 假设输入交流电压为正弦波输入电流为非正弦，功率因数定义为 p f ：垡鱼! ! ! ! ! ：鱼。口 vii 其中 d 输入基波电流和输入电压之间的相移角。 定义畸变因数为： k d = l 。， l m ； 相移因数为： 。= g o s a 即 p f = - 。 定义总谐波失真度( t h d ) 为： 加：垒二鱼! x l o o n 嬲( 1 ) 幻和t h d 之间的关系为： 带功率因数校正的密封铅酸蓄电池充电装置的研制 t h d = 压再圳排乒枷。 k d = 1 2i e c 谐波电流限制标准 目前欧共体强制实施的e m c 标准是i e c5 5 5 ，但i e c1 0 0 0 3 2 3 即将取代i e c 5 5 5 ，因此本文重点介绍i e c1 0 0 0 3 2 3 标准。 i e c1 0 0 0 3 2 对接至低压电网系统上的额定电流小于或等于1 6 a 的所有电气和 电子设备引起的谐波电流规定了限值限值适用于电压为2 2 0 v 3 8 0 v ，2 3 0 v 4 0 0 v 和2 4 0 v 4 15 v ，频率为5 0 h z 6 0 h z 的电网系统。 由于谐波的幅度随着谐波阶数的增大而减小，大于4 0 次的谐波通常是很小的， 因此标准只规定了2 次到4 0 次的谐波电流限值：同时，标准还对谐波电流的测试 方法、测试仪器设备的要求和某些设备的测试条件都做了规定。 一、设备的分类 i e c1 0 0 0 3 2 标准将被测设备分为以下四类： a 类设备：三相平衡设备和所有其它不属于b 、c 和d 类的设备： b 类设备：便携式电动工具； c 类设备：照明设备，包括调光装置： d 类设备：输入电流波形在如图l 一1 所示的包络线内，且有输入功率p 6 0 0 w 的设备。 其中，b 类和c 类以及带相位控制的暂时性电机驱动的设备不管其输入电流的 波形如何都不应视为d 类设备，而应归入a 类设备。 o o 图1 - 1d 类设备电流输入波形包络 对于上图有两点说明： ( 1 ) 对于输入电流波形( 相对于峰值i p k ) - 每半个周期至少9 5 的持续时间内电流 4 南京航空航天大学硕士学位论文 波形在图1 所示的包络内。这意味着允许包络之外有小的尖峰存在。 ( 2 ) 输入电流的峰值应与中心线m 重合。 二、谐波电流限值 ( 1 ) 一般限值 a 当谐波电流幅度小于输入电流的0 6 或5 m a ( 取大者) 时，不予考虑。 b 当谐波次数大于1 9 时，可取一个总的频谱，如果这个频谱的包络线随级 数的增加而呈单调下降时，则测量可限制在1 9 次( 包括1 9 次谐波) 以内。 ( 2 ) 各类设备的谐波限值 a 稳态谐波电流：限值如表2 表4 所示，b 类设备的限值是a 类设备限值 的1 5 倍。 b ，瞬态谐波电流：设备人为自动合上或断开电源时，在不超过】0 秒的时间 内产生的谐波电流可不予考虑。除此之外，其它瞬态谐波电流的限值与稳态谐波电 流限值相同，但对2 1 0 偶次谐波和3 1 9 奇次谐波在任何2 5 分钟观察周期内， 允许将不超过1 5 秒的瞬态谐波电流值放宽到相应的稳态谐波电流限值的1 5 倍。 表1 1a 类设备的输入电流谐波限制标准 谐波次数n最大允许谐波电流( a ) 奇次谐波 32 3 0 51 4 4 70 7 7 90 4 0 1 1o 3 3 1 3o 2 1 1 5 n s 3 9 0 1 5 - 1 5 ，n 偶次旨波 21 0 6 40 4 3 6o 3 0 8 s n ! - 4 0 o 2 3 8 ，n 表1 2c 类设备的输入电流谐波限制标准 谐波次数最大允许谐波电流( ) n ( 占基波电流的百分比) 22 3 3 0 九( 丸为电路的功率因数) 51 0 77 95 1 1 鱼蛭3 9 ( 仅限奇次谐波) 3 带功率因数校正的密封铅酸蓄电池充电装置的研制 表1 3d 类设备的输入电流谐波限制标准 谐波次数每瓦最大允许最大允许 n 谐波电流谐波电流 m a ，wa 33 42 3 0 51 91 1 4 7】00 7 7 9o 50 4 1 1o 3 50 3 3 1 30 2 9 60 - 2 l 1 3 9 1 3 9 ( 仅限奇次谐波) 3 8 5 n2 2 5 n ( 同c l a s s a ) 注：当谐波电流限值以基波电流或有功功率的函数的形式给出时，电流和功率 应在同样的试验条件下测得。 1 3p f c 电路的类型和常用a p f c 芯片 目前已广泛使用的改善功率因数方法主要有以下几种： 1 多脉冲整流，它的基本原理是利用变压器对各次不同谐波电流移相，使某 次谐波在变压器次级相互叠加而抵消。这种方法在变压器的负载平衡情况下。对减 小输入端的低次谐波是有效的。 2 无源滤波法，无源功率因数校正是在输入端加上一个由电感和电容组成的 l c 无源滤波网络，如图1 2 所示。 图1 2 无源功率因数校正电路拓扑 无源校正技术简单，工作可靠可以满足i e c l 0 0 0 - - 3 2 标准，功率因数可以 达到0 9 2 以上，只不过滤波网络体积重量较大。 由于无源p f c 技术采用低频电感和电容进行输入滤波，工作性能与频率、负载 变化及输入电压变化有关，因此它比较适合于功率小于3 0 0 w 、对体积和重量要求 不高、对价格敏感的应用中。 3 谐波注入有源滤波器法，有源滤器是与系统串联或并联的逆变器，它受系 统阻抗影响小，并对各次谐波有快速响应，但注入的电流有流进其他装置的可能， 并且造价较高。 4 有源功率因数校正( a p f c ) 法，它直接采用有源开关或a c d c 变换技术，使 6 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 输入电流成为和电网电压同相位的正弦波。 其中无源滤波法和有源功率因数校正( a p f c ) 法是用得较多的方法，本文使用的 就是有源功率因数校正，以下就主要介绍这种方法。 1 3 1 有源功率因数校正 有源校正技术是在输入整流和d c d c 功率变换之间加级有源功率因数校 正( a p f c ) 电路，实际上也是一种d c - - d c 变换器利用控制电路( 现在有专用 集成控制芯片) ，使输入端电流波形接近正弦并保持与电压同相，从而使输入端功 率因数接近于l ，一般情况下，电路成本约增加2 0 【2 ”。9 0 年代以来，有源p f c 技术取得了长足的进展。有源p f c 技术由于变换器工作在高频开关状态，具有体积 小、重量轻和功率因数高等优点。 从不同的角度看，对于有源p f c 电路有很多种分类方法。最常用的是根据电流 控制方式的不同，有源p f c 电路可以分为峰值电流型、双基准开关控制型和平均电 流型。 一、峰值电流型a p f c 峰值电流型( p c m ) 的工作过程为：当电感电流达到电流基准以前，开关一直 处于导通状态。电流基准为全波整流电压的取样值与电压误差放大器的输出相乘。 一旦电感电流达到电流基准，比较器输出关断信号，使开关截止。以后定频时钟再 次接通开关，重复上述过程。当交流电网电压从零变至最小值时，占空比也由最大 值( 通常为o 9 5 ) 变至最小值( 峰值电压附近) ，因此可能产生谐波振荡现象。为 克服这一现象，在比较器的输入端应加入斜坡补偿函数。 二、双基准开关控制型a p f c 双基准开关控制也称电流滞环控制，之所以称之为双基准开关控制，指的是有 两个电流基准，i b 。和i l m 小当电感电流到达i 山。时，开关管关断。电感电流下 降；当电感电流下降到i h i 。时开关管开通。 显然，双基准开关控制的p f c 电路的开关频率是变化的，丽且受输入电压和负 载影响，因此有的文献也把它归入峰值电流控制，称之为变频峰值电流控制技术。 由于开关频率变化范围很大所以双基准开关控制型a p f c 电路输出滤波器优化设 计困难。 三、平均电流型a p f c 平均电流型( a c m ) 是一种性能非常良好的a p f c 控制方式，当开关频率远大 于输入电压频率时，输入电流波形为与输入电压同相的正弦波形，功率因数接近l ， 通常可达到0 9 9 以上。工作过程为：输出电压经分压后与参考电压比较，再经电压 环补偿网络处理后得到电压误差信号，它与输入电压的采样信号相乘，乘积与输入 电流采样值一起经电流环补偿网络处理后，进入p w m 发生器，产生主开关通断控 带功率因数校正的密封铅酸蓄电池充电装置的研制 制信号。因为控制信号是按占空比周期性变化的信号，所以得到的输入电流波形可 跟随输入电压整流后的波形。 图1 3 所示为三种控制方式的电感电流波形示意图。 ( a ) 峰值电流型( b ) 双基准开关控制型( c ) 平均电流型 图l 一3 三种控制方式的电感电流波形 1 3 2 常用a p f c 控制芯片 随着a p f c 发展得越来越成熟，a p f c 的控制芯片也越来越多，功能也越来越 强大。由于平均电流型有着优良的特性，因此平均电流型的p f c 芯片得到了很大的 应用，而峰值电流型和双基准开关控制有着各自的缺陷，所以这两种的芯片就相对 较少。比如t i 公司的十余种p f c 芯片中，只有u c 3 8 5 2 一种为双基准开关控制型 芯片，峰值电流型的芯片则一个都没有，其余均为平均电流型芯片。 本文就t i 公司的四种芯片为例，介绍一下现有的控制芯片的主要种类。 一、双基准开关控制型芯片u c 3 8 5 2 u c 3 8 5 2 内部结构 框图如图1 - 4 所示，l 脚 采样输出电压与5 v 的基 准比较放大输出一个直 流误差电压准时接通 p w m 比较器。同时2 脚 i s n s 采样输入电流，送 至两个比较器。这两个比 较器和输出电压的误差 信号共同构成电流信号 图1 - 4u c 3 8 5 2 内部结构框图 的两个基准。当主电路输入电流为下降到这两个基准中的较小值时，开关管就导通， 这时电流增大；当电流增大到这两个基准中的较大值时，开关管即截止。 这是一种典型的双基准开关控制方式，控制原理简单、外围元件少，用此控制 芯片最后电路功率因数能做到0 9 9 以上，但一般只能用在小功率的场合。 二、平均电流型控制芯片u c 3 8 5 4 ， 南京航空航天大学硕士学位论文 u c 3 8 5 4 是a p f c 中使用得最多的一种芯片，它是采用平均电流型控制方式。 鉴于此芯片在很多论文中都有介绍，本文在此就不再赘述。 三、隔离型a p f c 控制芯片u c c 3 8 5 7 常用的a p f c 控制芯片几乎全属于仅具有控制功能的离线式升压型p f c 预调整 控制器。t l 公司采用双极m o s d m o s ( b c d m o s ) 混合工艺制造的u c c 3 8 5 7 ， 对于一个隔离的p f c 变换器，可实现一切所必须的控制与驱动功能。采用u c c 3 8 5 7 设计的隔离p f c 升压变换器，可通过变压器实现初级与次级之间的隔离，并且可以 使输出电压低于输入电压。由于u c c 3 8 5 7 能同时提供a p f c 和降压变换，故在需 要高效、高性能和小型化等的场合下，是非常理想的选择。其内部框图如图1 5 所 示由于该芯片的特殊性，其典型电路应用如图1 6 所示。 fc m h tr ic t 图1 5u c c 3 8 5 7 内部结构框图 图1 - 6u c c 3 8 5 7 典型应用电路 9 ， 带功率因数校正的密封铅酸蓄电池充电装置的研制 从图1 6 中可以看出，输入输出电路是隔离的，且能实现输出电压的太范围调 节，也即这个电路同时实现了功率因数校正和降压的功能，这个芯片的应用是很值 得研究的。但是这个电路有一个缺点，就是当开关管关断时，开关管上承受两倍输 入电压，对开关管的电压定额要求较高。 四、p f c p w m 复合芯片u c c 3 8 5 0 0 随着两级a p f c 技术的成熟，近年来又出现了将两级的控制芯片集成到一个芯 片的p f c p w m 复合芯片，u c c 3 8 5 0 0 就是其中的一种，其内部结构框图如图1 7 所示。 从图中可以看到，该芯片分成上下两个部分，上面为p w m 部分，下面为p f c 部分。这样，a p f c 两级的电路就只需要一个芯片，也就只需要一套控制电路，简 化了电路结构和设计过程。这种芯片在国内外得到了越来越广泛的应用，本文采用 的m l 4 8 2 4 就是这类芯片中的一种典型代表。 v m 图1 7u c c 3 8 5 0 0 内部结构框图 1 4 蓄电池的性能及对充电电路的要求 1 4 1 蓄电池的分类及性能比较 蓄电池主要有铅酸蓄电池、密封铅酸蓄电池、双极铅酸蓄电池、镍镉蓄电池、 镍铁蓄电池、镍氢蓄电池、钠硫蓄电池、锂电池，其各有优缺点，如表1 1 所示。 表1 4 各种蓄电池优缺点比较 l 储能密度( 瓦 i 蓄电池种类优点缺点 l 时阡克) i 铅酸蓄电池 3 5 便宜、易得、可靠、可回收能量密度低，需加水 1 0 j 南京航空航天大学硕士学位论文 密封铅酸便宜、安全、可倒置、不用寿命较短，需特殊充 3 9 蓄电池加水电器 双极铅酸能量密度高、寿命长、充电不易得到，在大量生 5 0 蓄电池快产前成本高 价高有毒，有记忆 镍镉蓄电池 5 5 能量密度高 效应 功率小，发热厉害， 镍铁蓄电池 5 5 能量密度高寿命长，无毒 很贵 不易得到，在大量生 镍氢蓄电池 9 0能量密度高，寿命长，无毒 产前成本高 在3 0 0 c 以p 运仃， 钠硫蓄电池 1 1 0 能量密度很高 有火险，昂贵 能量密度很高，安全，形状制造大型蓄电池有 锂蓄电池 0 9 9 3 输入电压范围：1 7 6 v 2 6 4 v a c 4 输出功率p o 呲= 1 0 0 0 w 5 输出浮充电压v 0 u t = 4 8 v d c 6 最大充电电流i m a 。= 2 0 a 根据以上要求，我们可以初步确定电路由两级构成，前级为p f c 级，对输入进 行功率因数校正，同时电压被提升到3 8 0 v ；后级为双管正激方案的p w m 电路，把 电压从3 8 0 v 降到要求的4 8 v ，并实现限流定压方式充电。 本章接下来的部分就将具体的论述设计过程。 3 2 主电路方案及设计 3 2 1p f c 级主电路设计 一、主电路拓扑 有源功率因数校正电路都是基于d c d c 拓扑，因此原则上有b u c k 、b o o s t 、 b u c k - b o o s t 、c u k 、反激、正激等多种拓扑结构。由于b o o s t 电路具有电感电流连续， 允许宽的输入电压范围，驱动电路容易设计( 开关管发射极与地相连) 等一系列优 点，因此在实际中应用最多。本文的主电路前级也是采用b o o s t 拓扑的a p f c 电路， 如图3 1 所示。 图3 - 1 前级p f c 主电路 南京航空航天人学硕士学位论文 二、工作原理 如图3 1 所示电路结构为b o o s t 拓扑但与一般的b o o s t 拓扑的d c d c 变换器 又不样。 首先，在输入的整流桥后面没有一个大电容把电压滤波变成直流。因此，我们 可以看到这个a p f c 电路的输入电压其实是一个输入电压经整流后的馒头波信号。 另外，与一般d c d c 变换器根 本上不同的是控制信号的不同。一般 的d c d c 变换器控制电路中与锯 齿波交截的误差信号是一个直流信 号因此在一种输入电压和负载状况 f 占空比是恒定的。而b o o s t 拓扑 的a p f c 电路则不然与锯齿波交截 的误差信号是一个馒头波信号，因此 即使在同一种输入电压和负载状况 下，占空比也是一个时变的量，如图 3 2 所示。关于这个问题，我们将在 后面的控制电路设计中详细阐述。 图3 - 2p w m 波形图 由于拓扑结构就是b o o s t ，因此其每个瞬时的基本工作原理与b o o s t 拓扑的 d c d c 变换器是一致的。开关管开通时，电感电流增大，电感储能，二极管截止， 、 负载由输出滤波电容供电：开关管截止时，储能电感释放能量给负载供电，同时 1 ? ： 给输出滤波电容充电。其详细的工作模态，很多文献中部有提及，这里就不再赘述ij ；，”0 j 。 括。- 三、a p f c 储能电感磁芯材料的选择 1 磁粉芯简介 设计a p f c 储能电感有两种方法通常的做法是采用较高良值的铁氧体或非晶 磁芯留有一定的气隙以降低磁导率防止饱和另一种就是使用磁粉芯材料。如表3 1 所示是铁氧体粉芯和几种磁粉芯材料的饱和磁感应强度& 值的比较，我们可以看 出，铁氧体粉芯的b s 值最低，约为磁粉芯的一半左右。因此在同样安匝数下和磁粉 芯相比易面将增加一倍左右，也即体积重量将增大。 表3 - i 几种磁芯材料的b s 值的比较 l材料铁氧体铁粉芯n i f e 粉芯f e s i a i 粉芯 b s ( g s )4 5 0 0 5 0 0 0 1 3 8 0 07 5 0 0 8 0 0 06 0 0 0 8 0 0 0 而旦位目迭墨壁些堡珏氢墼，这会带来在开气隙处有很强的交变漏磁场，引起 很大的辐射干扰，同时在气隙断口处产生局部的损耗而发热，容易导致铁氧体磁性 恶化甚至消失( 暮达到其居里温度) ：而且由于磁滞伸缩现象，还会产生噪声干扰。 i 为何； 2 3 ，r ， ，“j k 、， 扮，；i ， j 、 带功率困数校正的密封铅酸蓄屯池充电装置的研制 因此，磁粉芯近年来作为电感铁芯的到了广泛的应用，由于金属软磁粉末被绝 缘体包围形成分布气隙，因而大大降低了金属软磁材料的高频涡流损耗使得磁 粉芯饱和磁通密度高达l o t ( 1 0 0 0 0 g s ) 左右，在强磁场条件下即工作在大电流 时磁芯不易饱和。制作a p f c 电感，不用开气隙，而且不会对电路产生电磁干扰 ( e m i ) 。而且由于其直流偏磁动态线性相当好，通过设计计算可以精确地控制在额 定电流时的电感值。恰当选择磁 芯尺寸和线圈匝数，还能得到满 意的磁芯损耗的结果。 。 常见的磁粉芯有铝坡莫合金 磁粉芯( m p p ) 、高磁通磁粉芯 ( h f ) 、铁硅铝磁粉芯( m s ) 和 铁粉磁芯( i p ) 。前两种，国内习 惯上称为铁镍钼磁粉芯和铁镍磁 粉芯。 如图3 - 3 所示为上海钢研精 密合金器材研究所的几种磁粉芯 的损耗曲线，从图中可以看出， 同样条件下铁粉芯的损耗远大 于其它种类的磁粉芯材料，因此 铁粉芯可以被排除在外作为p f c 电感。 冲o5 相l 0i oi ol 图3 3 几种磁芯损耗曲线 从图3 。3 中我们还可以看出，坡莫合金的损耗最低，在对温升有特别要求的地 方，坡莫合金磁粉芯是首选如军用电源、程控交换机电源的p f c 电感，并且其电 流稳定性小于1 ，频率稳定性也小于1 ( 1 k h z 1 0 0 k h z ) ，作为l c 电路的标准电 感可使波形失真 2 d f m ) = 1 4 1 4 2 6 4 = 3 7 3 v 因此确定输出稳压在3 8 0 v 。 2 储能电感 电感电流的峰值为 i = 1 0 0 0 4 2 1 7 6 = 8 0 4 a 电感电流纹波以峰值电流2 0 计，则 叫= o 2 i m = 1 6 1 a 令电路的平均占空比为d ，则d 的最大值为 d 。= 3 8 0 矿- 1 7 & j 2 = o 3 4 因此可以得出电感值 l ：竖型型! 竺竺：! ! ! 型! ：! ：丝：0 5 3 m h f a 1 0 0 1 0 3 1 6 1 选用国产上海钢研所的铁硅铝磁粉芯材料，型号为s a 6 0 ，该磁芯为环形磁芯， 有效磁导率p = 6 0 ，外径d o = 4 7 c m ，内径d i = 2 4 c m ，高度h 。= 1 8 c m 。 可以求得磁路长度l = 1 1 1 5 c m ，截面积s = 1 8 8 c m 2 ，因此可以得到 n = 焉 ：j d 04 罴31 4 装6 0 意18 8 1 0 堋6v x + 5 取6 5 匝 3 输出电压纹波分析与输出滤波电容的确定 本文的电路由于采用了特殊的上升沿下降沿触发方式，p f c 级电路的输出电压 纹波将大大减小，这一点我们将在后面的控制电路设计中详细阐述。在此，为分析 简便，我们按照只有前级p f c 电路来分析输出电压纹波，设计输出滤波电容，这样 设计的电容能使得加上后级p w m 电路后输出电压纹波远小于初始设定值。 输出滤波电容一般按照输出电压纹波要求来计算，文献【1 1 给出了当输入电压恒 定直流时输出电压纹波的关系式如下： u 。：u , ( u o 。- r u , ) 。8 l c f u o 带功率因数校正的密封铅酸蓄电池充电装置的研制 而本文的输入电压为馒头波，即 “= u ，is i n ( o j t f ) l 因此本文的输出电压纹波为 u 0 = 垡监尝孝型型 可以求出输出电压纹波的最大值为 ( a u o ) 一2 丽u o 因此输出滤波电容有 c = 丽u o 3 2 三，u 。 长，? c = 2 2 4 脚 而事实上由于铝电解电容的频率特性i 最差，所以实际电路中电容值要远大于这 个值，有学者提出大概的估算方法，就是输出滤波电容由输出功率来决定，一般每 瓦约需要1 2uf ，本电路1 0 0 0 瓦，也即输出滤波电容大致需要1 0 0 0 2 0 0 0 1 - tf 。 在许多p f c 文献的电路中，输出滤波电容值都在2 0 0 0 4 0 0 0 l - tf 左右，而本文电路 最后取2 2 0 1 1f 的电容输出电压纹波依然在o 3 v 左右( 见第三章实验波形) ，这 也证明了上升沿下降沿触发方式的优越性。 3 2 2p w m 级主电路工作原理及设计 一、主电路拓扑结构 后级p w m 电路的功能是要将前级输出的3 8 0 v 直流转换成最高电流限制在 2 0 a ，浮充电压为4 8 v 的输出，采用双管正激的电路拓扑，如图3 - 6 所示。 q 2 一= c d 2 n i t l i 一 一 v d c 回 ； d 3 u 【- t 兰 1 ， 匕l 2 ： 一 k 气c s l ：j - ttl 图3 - 6p w m 级主电路 南京航空航天大学硕士学位论文 全桥和半桥主电路拓扑较常用于大功率d c d c 变换器中。这二种拓扑由于主 变压器磁通在两个方向变化而使磁芯利用充分，可使变压器体积较小。但这两种拓扑 有如下缺点： 1 桥臂上、下丌关管在不可预见的干扰下会产生直通短路，损坏丌关管； 2 某一个开关管驱动脉冲丢失时变压器原边会因偏磁而饱和： 3 两路驱动脉冲宽度不一致也会导致变压器原变偏磁饱和。这将导致原边开 关管不明原因的损坏。 正激变换拓扑则避免了以上三种因素的影响，因而其可靠性高，在要求高可靠 性的开关电源中广泛地被采用。理论上其变压器( b = b 。) 利用率不如半桥和全桥变 换器( b = 2 b m ) 充分，但在实际应用中，由于变压器磁芯铁损与丌关频率的1 2 次 方及b 成i e l g l 2 9 , 3 0 1 ，在开关频率较高的情况下为使磁芯温升在可允许范围内， 全桥和半桥方式下变压器磁通变化b 不允许太高，正激变换器可使用的b 与全 桥和半桥变换器相差不大。因此实际应用中正激变换拓扑的变压器利用率并不低。 双管正激电路是由单端正激电路发展而来的，由于单端正激电路在开关管关断 的时候，要承受两倍的输，入电压，这样选择开关管的电压定额就要高很多。当输入 电压较高时，就不能选用常用的比较廉价的开关管，而采用双管正激电路则不存在 这样的问题。，。；之。： 二、电路工作原理 p p t ；+ g 妄彤可不二 。二 5 1 7 方，蔷，q 霉，、。， 双管正激电路与单端正激电路的工作原理 类似，两个开关管同时开通和关断，当开关管 丌通时，输入电压完全加在变压器原边上，同 时给变压器副边传递能量；当开关管关断时， 变压器原边通过两个二极管磁复位，变压器副 边续流。 如图3 7 所示为电路工作模态，u 。为开关 管g s 电压，u t l 变压器原边电压，u d s 开关管 d s 电压，i 。l 为变压器原边电塑n 开关管在t = 0 时导通，变压器原边承受全 部输入电压，其上面的电压为上正下负，变压 器原边电流也逐渐从i - 增大到1 2 。 t = t 时，开关管关断，变压器原边产生一个 下正上负的反向电压两个二极管导通，变压 器原边通过这两个二极管进行磁复位。这是变 压器原边上电压为一个大小为u 。的负压，这 个电压加上输入电压一块加载两个开关管上， t ikb i 2 图3 7 一w m 级电路原理波形 j 籀 曼，最慰砖斌z ， 童如l 如，一? 7 、7 、7 、 爱矗 羞f 蜘。 j ! 带功率因数校正的密封铅酸蓄电池充电装置的研制 所以每个丌= 关管承受的电压为u m 。 t = t 2 时，变压器磁复位结束，变压器原边电压变成零这时输入电压加在两个 丌关管上，故每个开关管上承受的电压变成圭u o 由于在o t l 和t l t 2 阶段变压 z 器原边电压大小相等，方向相反，由于变压器原边的伏秽积相等，所以t 】= t 2 一t l 。 也即双管正激变换器的占空比d ( o 5 。 罗97 i ：。：+ i ：- f 一? 事实上- ，我们可以看出，双管正激电路变压器副边的整流二极管和原边的开关 、 管是同时丌通和同时关断的，所以如果把整流二极管看成一个开关管，变压器副边 电压看成输入电压的话，双管正激电路事实上就是一个b u c k 电路。我们可以很容 易推导出双管正激电路的输出电压为 u o = d u ，2 = d n u 。 其中d 为占空比，u t 2 为变压器副边电压，n 为变压器匝比，u 。为电路输入电 压。 很显然这个公式和b u c k 电路是一致的。因此，在后面的参数设计，系统建 模等工作中，我们都可以把双管正激电路等效成b u c k 电路来分析。 三、主要参数设计 1 变压器设计： b 取二分之一的饱和磁感应强度b s ，即 聿墓槭一， 乩一b ，= 1 7 5 0 g , 、一 取最大占空比为0 4 5 ，则 s o ：兰鱼墨。1 0 s t l b q k c k 。， ：! ：! ! ! ! ：! ! ! ：! ! ! ! 。 1 7 5 0 0 9 5 1 0 3 x3 0 0 s o = 6 0 1 5 0 r a m l 查磁芯手册，确定选用e e 5 5 b s 。= 1 7 2 2 l 1 0 = 3 6 1 2 c m 2 忙等矗=等x10z-271750 6 1 2 匝 ( 吃一b ，) 疋 3 很容易推出双管正激电路输出电压与变压器副边电压有如下关系 u 。= d u 2 南京航空航天大学硕士学位论文 则 u 、：生：旦：1 0 6 6 7 2 ：等n l ：i 1 0 6 6 7 2 7 ：7 , 6 取8 匝 u 3 8 0 选用3 0 m m 宽铜皮，根据变压器原副边电流，原边铜皮选用o 0 5 m m 厚副边 铜皮选用0 2 5 r a m 厚。 核算： 窗口高度盟= 1 0 1 5 肌棚 铜皮总厚度( 铜皮加绝缘层0 1 m m ) = 2 7 0 1 5 + 8 o 3 5 = 6 8 5 d 。： ：0 4 2 6 3 8 0 三 2 输出滤波电感 电感设计的基本要求是：满足所要求的电感l 值；晟大电感电流i l m 。时铁芯不 饱和：线圈要绕得下。 设计电感在最小输出功率p 一。n 时电流临界连续，则有 岛：墼( 1 一1 0 6 6 7 。0 4 5 。1 0 - 5 0 5 5 ：2 6 4 1 0 5 h 2 2 ，d 。、u ，7 2 5 。 即l 2 = 2 6 4u h 选取e e 5 5 b 磁芯( s c = 1 4 4 c m 2 ，q = 1 5 5 4 c m 2 ) 电感电流中存在较大的直流分量，铁芯中也相应存在较大的直流偏磁量，为避 免铁芯饱和，铁芯必须加气隙。 气隙由下式给出： 占=鼎2ksb1 0 一5 为了使电感工作时不饱和，应适当选取磁感应b ，这里取b = 1 5 0 0 g s 因此，电感的气隙为： 扣剃绦2 是兰等兰一o z 协 由此，电感的匝数为： 带功率因数校正的密封铅酸蓄电池充电装置的研制 n _ l o 旦：l o ，上堕坐羔墼： 风s 。 v0 4 x3 1 4 3 6 1 2 l o 。 取1 2 匝 3 输出滤波电容 文献给出了输出滤波电容有 u ，d ( i d ) 8 z f2 a u 。 得到c = 2 7 2 t af 由于铝电解电容的频率特性较差，实际电路中采用3 个4 7 0 uf 的电容并联。 3 3 控制电路设计 3 3 1p f c p w m 复合芯片m l 4 8 2 4 介绍 一、m l 4 8 2 4 基本结构 本文采用的控制芯片位美国微线公司( m i c r ol i n e a r ) 的p f c p w m 复合芯片 m l 4 8 2 4 ，其内部结构框图如图3 - 8 所示。 图3 8m i a 8 2 4 内部结构框图 从上图可以看出，m i a 8 2 4 由平均电流控制的b o o s t 型p f c 前级和一个同步的 p w m 后级组成，p w m 级可以用作电流型，也可以用作电压型。m i a 8 2 4 分为 南京航空航大大学硕士学位论文 m l 4 8 2 4 1 和m l 4 8 2 4 2 两种型号，m l 4 8 2 4 2 在上图中问部分多了一个“2 ”的 环节，表示m l 4 8 2 4 _ 2 中p w m 级的频率为p f c 级的两倍，这样可以使得p w m 级 的磁芯元件体积重量更小。 除了具有功率因数校正功能，m l 4 8 2 4 还有很多保护功能，如软启动、过压保 护、峰值电流限制、欠压锁定、占空比限制等。 m l 4 8 2 4 各管脚功能如表3 - 2 所示： 表3 - 2m l 4 8 2 4 管脚排列 管脚管脚 序号 功能功能 序号 1 p f c 级电流误差放大器输出 2 p f c 级输入电压波形采样 3 p f c 级输入电流采样 4 p f c 级输入电压幅值采样 5 p w m 软启动 6 p w m 输出电压误差信号 7 频率设定 8 p w m 电流采样 9 p w m 级限流脚 1 0 接地脚 1 1 p w m 驱动信号输出 1 2 p f c 驱动信号输出 13 电源脚 1 4 7 5 v 电压基准 1 5 p f c 级输出电压采样 1 6 p f c 级电流误差放大器输出 下面两节我们就分别介绍p f c 和p w m 级的工作原理，并分析两级控制电路的 设计过程。 二、乘法器 m l 4 8 2 4 是平均电流型p f c 控制芯片，它的功率因数校正功能是通过乘法器( 也 就是图3 - 9 中所示增益调节器) 来实现的。乘法器是p f c 的心脏，它产生电流环的 基准，并控制p f c 级输出电压稳定，如图3 - 9 所示。 图3 - 9p f c 级工作原理示意图 带功率因数校正的密封铅酸蓄电池充电装置的研制 由上图可以看出，乘法器有三个输入端，分别为： 1 输出电压环误差放大器输出v e a o乘法器的输出与这个输入端呈线性关 系。 2 反映输入电压波形的电流信号i a c 输入正弦电压经整流桥后成为一个馒头 波，这个馒头波电压经过一个电阻形成一个电流信号加到i c 端，成为乘法器的另 一个输入端。显然，电流信号i a c 是一个与整流后的母线电压同相位的馒头波信号， 也就是反映了输入电压的波形。通过这种方法得到的电流信号具有较好的抗干扰 性，乘法器的输出与这个输入端也是呈线性关系。 3 输入电压前馈v r m s 它是整流后的馒头波电压经分压、滤波后得到的直流 电压信号，显然，这个电压信号与输入电压的有效值成正比关系。乘法器的输出与 v r m s 2 成正比关系。 乘法器的输出为一个电流信号i m o ，由以上的叙述可知，乘法器的输入输出关 系为： i ：i a - c _ xv 丁e a o 1 v m o ( 3 1 )一i 丁_ ( 3 一1 ) y r m s 由以上分析我们可以看出v e a o 是电压环误差放大器输出是一个直流信号； i c 为整流桥后电压波形采样信号，为一个馒头波信号：v r m s 为整流桥后电压幅值 信号，也是一个直流信号。因此乘法器的输出信号i m o 为一个相位与i c 相同，幅 值与i a c 成正比的电流信号。而i a c 是完全跟踪母线上的电压波形，所以i m o 也就是 与母线电压的波形完全同步。这个电流信号通过如上图所示的下面那个电阻作为电 流环的基准，使电流信号完全跟踪电压信号，达到功率因数校正的目的。 更确切地，乘法器的输出电流也可以由下式给出： ， 柑= k ( w , 4 0 一1 5 v ) ， r 此处k 的单位是v 。 在m l 4 8 2 4 中乘法器的输出电流限制在2 0 0 p a 左右。 三、输入电压前馈的作