（电力电子与电力传动专业论文）高功率因数在线式不间断电源的研制.pdf

湖北工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c c o r d i n gt o t h ed e m a n do ft h ee l e c t r o n i c e q u i p m e n tf o ru p s ，c o m b i n i n gt h e d e v e l o p i n gs i t u a t i o no f t h em e d i u ma n ds m a l lp o w e ru p s ，t h ep a p e rp o i n t so u tt h eu p s d e v e l o p m e n t t r e n dt ot h e o n l i n e ，h i g hp o w e r f a c t o ra n d h i 曲f r e q u e n c y h a v e d e s i g n e dal k v a o n l i n eu p s s y s t e m w i t hh i g hp o w e rf a c t o lw h i c h i n c l u d i n g t h r e em a i np a r t s ：p o w e rf a c t o rc o r r e c t o r , b o o s tf o rb a t t e r ya n dt h ef u l lb r i d g ei n v e r t e r 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 tp 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 h c o n t r o l l e db yu c 3 8 5 4 a i tb o o s t st h ev o l t a g ea f t e rr e c t i f i e dt oh i 曲l e v e rd c v o l t a g e a n ds u p p l i e st oi n v e r tc 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 os i n u s o i d a l w a v ea n dm a k e si t sp h a s ef o l l o w i n gu pt h es c e n to ft h ei n p u tv o l t a g e ，s oi n c r e a s e st h e i n p u tp o w e rf a c t o r t h eb o o s tc i r c u i tf o rb a k e r ya d o p t sp u s h p u l lc i r c u i tc o n t r o l l e db y s g 3 5 2 5 s t e pu p t h ev o l t a g eo f b a t t e r ya n db er e a d yt os u p p l yt ot h ei n v e t tc i r c u i tw h e n t h en o r m a lp o w e r s u p p l yi si nt r o u b l e ，a c c o r d i n g l y , k e e p t h eo u t p u ti su n i n t e r r u p t e d t h e p a r to f i n v e r tc i r c u i tu s e sf u l lb r i d g ea st h em a i nc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i tu s e sp i c l 6 f 7 3 m i c r o c o n t r o l l e ra st h ec o r e i tp r o d u c e ss p w mc o n t r o lw a v et od r i v et h ei g b to ft h e f u l lb r i d g ea n dc o n v e r t st h eh i 【g hl e v e rd c v o l t a g et o2 2 0 va cv o l t a g e i no r d e rt ok e e p t h eo u t p u tv o l t a g es t e a d y , av o l t a g ef e e d b a c kl o o pi sa d d e d t h et h i n k i n go ft h es o f t d e s i g na n d t h em a i nf l o wc h a r t so f t h ep r o g r a ma r e p r o v i d e d h a v ed o n em a n ye x p e r i m e n t sa n dg o tr e l e v a n tw a v e sa n dd a t aw h i c hv e d f i e d t h ec o r r e c t n e s so ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ef e a s i b i l i t yo fc i r c u i td e s i g n a tt h ee n d o ft h ep a p e r ，t h ea u t h o rs u m m a r i z e sh i sw o r ka n di n d i c a t e sw h a tn e e d st ob ei m p r o v e d i nt h ef o l l o w i n gr 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 e dp o w e rs u p p l y , o n l i n e ，p o w e r f a c t o r c o r r e c t o r , u c 3 8 5 4 a p u s h - p u l lb o o s tc i r c u i t ，p i c l 6 f 7 3 ， f u l lb r i d g ei n v e r t ，s p w m 1 1 湖北工业大学硕士学位论文 1 1 电力电子变流技术 第1 章绪论 电力电子技术诞生至今已近5 0 年，它对人类文明起着巨大的推动作用，如今 它已无领域不在，无行业不用，以至于离开了电力电子技术，人类的生活将黯然 失色。电力电子技术的应用目的是实现电能的产生、调度以及电网与电负载之间 的最佳匹配，完成最佳效率、最优波形用电。实现这些功能的基础是半导体器件， 而完成这些功能的手段是电力电子成套装置，因此电力电子技术是一门综合电力 半导体器件、电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术等许多学科的边缘交 叉学科。 现代电力电子技术可以比较精确定义为：电力电子学是运用现代控制技术， 以功率电子开关器件来实现能量变换、，传输与控制的应用电子学。它是电力技术 ( 包括发电机、变压器等各种电力设备和处理电能的电力网络) 、电子技术( 包括 各种电予器件和处理信息的电子线路) 和控制技术( 包括连续系统和离散系统控 制理论) 三者结合的交叉学科。它属于应用电子学在强电范畴的分支。随着科学 技术的发展，电力电子技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、计算机科 学等许多领域密切相关。目前，电力电子技术已逐步发展成为一门多学科互相 渗透的综合性技术学科，并在为现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电 网优化，电力工程等行业提供高质量、高效率、高可靠性的电能方面起着关键的 作用。 电力电子技术由电力电子器件、变流电路和控制电路三个部分组成。 1 1 1 电力电子器件“1 电力电子技术中是采用功率半导体开关器件来对能量进行变换和控制的。最 早的半导体功率器件，是1 9 5 8 年出现的晶闸管，又称s c r 可控硅整流器，它是传 统电力电子技术第一个发展阶段的基础。第一代电力电子技术主要是将晶闸管整 流器应用于大功率系统，因此那时常把电力电子学与功率电子学划等号，以为电 力电子学仅限于处理大功率范围。创办于1 9 5 0 年的美国i r 公司，其名称仍然保 持了国际“整流器”专业特色，因为当时的大功率电力整流器产品，就是半导体功率 器件的主体。 湖北工业大学硕士学位论文 2 0 世纪6 0 年代出现了快速晶闸管，到7 0 年代又研制成功了高压大电流的门 极可关断品闸管g t o 、电力巨型晶体管g t r ，它们都是双极型电力半导体器件， 逐渐取代了传统的s c r ，广泛应用于直流电机调速、感应加热、静止励磁、电化 学电源、电焊机、高压直流输电等方面。这些大功率器件又与微处理机相互结合， 不断完善自动控制技术，使电力电子技术迅速迸人了“自关断器件”的第二个阶 融 m o 7 0 年代中后期又出现了m o s 场效应晶体管，特别是8 0 年代问世的功率场效 应管v d m o s ( 又称功率m o s f e t ) ，以及派生的m o s 型绝缘栅双极型晶体管 i g b t ，其特性和功能更加完善。它们联通了微电子学与电力技术两大学科，使功 率变换和稳压电源技术发生了新的飞跃，促使电力电子技术发展到高频化、智能 化的第三个阶段。 ， m o s 场效应管是多子型器件，具有优良的高频特性，能大大提高稳压电源的 开关频率，明显减少电源变压器材料的重量和体积，使其性能与效率大为提高。 而且m o s f e t 又是一种电压型控制器件，其栅极驱动功率显著低于少子型的双极 管，故可用些专用高压集成电路直接控制，甚至可把主功率器件与自动控制芯 片和保护电路傲在单片i c 中，大大简化电源整机电路的元器件数目，变革了控制 观念。 虽然电力电子器件在过去的近5 0 年里取得了长足的发展，但是相对于日新月 异的现代高新技术对电力电子技术的要求来说，现在的电力电子器件仍然在很多 方面不能满足要求，目前，新型电力电子器件正朝着以下几个方向发展：1 ( 1 ) 集成化、高密度化它包括了两层涵义，一是构成m o s f e t 大功率器 件的元素微观化、更加密集；二是指小功率的m o s f e t 也集成在单片i c 中，包 括系统控制、驱动、保护、检测、末级功率开关等。 为了提高功率开关器件的性能，几乎所有的全控型器件都由许多单元胞管子 并联组成，也就是一个功率器件由众多子器件集成：如一只5 0 a 的大功率管 m o s f e t 含有上万个单元胞管，一只3 0 0a 的静电感应晶闸管s i t h 含有5 万个子 器件，一只1 0 0 0 a 的g 1 则由近干单元g t o 并联而成。 ( 2 ) 高频化提高主功率变换器件的开关速度，可明显减小磁性变压器材料 和大容量电解电容器的体积、重量等。 开关器件已成为功率半导体器件的主角，研制工作也从改进电压、电流的二 维体系，发展到再提高频率的三维体系；同时各种新技术应用于功率器件，也改 湖北工业大学硕士学位论文 善了其动态参数和开关损耗。例如m o s 珏 t 和i g b t 都增加了芯片元胞的密度， 增大了所有元胞总周界的长度，使其通态电阻减小；缩短了单元胞对角线，使每 个单元胞中电流流经线最短，以更细的线条来换取器件的快速性。新一代m o s 肿 制造工艺精密度增加，与超大规模i c 的工艺已很接近。 ( 3 ) 大容量化、模块化功率m o s f e t 已做到2 0 0 a 6 0 v 和5 0 a 5 0 0 v 的功 率等级：9 0 年代中期就已经出现了6 0 0 a 1 8 0 0 v 和1 0 0 0 a 3 0 0 0 v 、5 0 k h z 的i g b t ： 目前已研制出高压5 0 0 0 v 、1 0 0 a 的i g b t 。 ( 4 ) 模块扩容例如晶闸管1 0 0 0 a 1 2 0 0 0 v 、6 0 0 0 a 8 0 0 0 v 晶闸管已经出现： 快速晶闸管( 关断时间达8 - 5 0 坶) 为1 6 0 0 a 2 5 0 0 v ，光控晶闸管有6 0 0 0 a 6 0 0 0 v t 可关断晶闸管g t o 达2 5 0 0 a 9 0 0 0 v 、6 0 0 0 a 6 0 0 0 v 、l k h z ；达林顿电力晶体管 g t r 则出现了1 0 0 0 a 1 8 0 0 v 、频率2 k h z 。 ( 5 ) 采用新型半导体材料碳化硅、砷化镓、金钢石片等，使电力电子器件 的性能更加优越，可靠性更高。碳化硅与合成金刚石都有特宽的频带、高导电率 和导热率。合成金刚石的电力m o s h 汀工作频率比硅器件高5 0 倍，功率容量大 几百倍以上，导通压降低一个数量级，工作结温可达6 0 0 度。 1 1 2 变流电路“1 变流电路实现将电源提供的能量变换成负载能够应用的电能形式，即实现电 压( 电流) 的大小、波形和频率的变换，电源一般有交流和直流两种，因此变流 电路可分为五种基本的类型： ( 1 ) 交流一直流整流电路：将频率为f 1 的交流电压v l 变换成频率为0 的直流 电压v 2 。 ( 2 ) 直流一交流逆变电路：将频率为0 的直流电压v 1 变换成频率为1 1 2 不等于 o 的交流电压v 2 。 ( 3 ) 直流一直流电压变换电路( 直流斩波电路) ：将频率为o 的直流电压v 1 变 换成频率也为0 的直流电压v 2 。 ( 4 1 交流一交流电压变换电路：将频率为f 的交流电压v 1 变换成同一频率的 交流电压v 2 。 ( 5 ) 交流一交流变频电路：将频率为n 的交流电压v 1 变换成频率为f 2 的交流 电压v 2 。 以上五种变换电路可由图1 - 1 来表示，电力电子技术中需要用到的各种复合型 湖北工业大学硕士学位论文 电力变换器都可以由这五种基本变换电路组合而成。 童针葺纛蕃 直流 电源2 逆变器l 丛厂一 鬈墼曼翮箜，l 交流负载 5 宜接变频器r 1 图1 1五种基本变流电路 1 2 开关型电力电子变换电源技术“1 电力电子技术主要有两大应用领域：一是开关型电力电子变换电源，另_ 类 是开关型电力电子补偿控制器。 开关型电力电子变换电源是利用半导体开关型电力变换电路，将一种频率、 电压、波形的电能变换成另一种频率、电压、波形的电能，再对负载供电的技术， 它能使用电设备在最佳的供电电源下工作，获得最大的技术经济效益。其基本应 用主要在以下几个方面：( 1 ) 电力系统中的壹流远距离输电；( 2 直流电动机变 速传动控制：( 3 ) 交流电动机变速传动控制；( 4 ) 电解、电镀等应用领域中的低 压大电流可控直流电源；( 5 ) 各种高性能的不问断供电电源( u p s ) ：( 6 ) 各类恒 频、恒压通用逆变电源；( 7 ) 照明灯具用的高频电力电子变换器( 电子整流器) ； ( 8 ) 各类低压直流开关电源；( 9 ) 蓄电池充电电源：( 1 0 ) 中频或高频感应加热 电源；( 1 1 ) 大功率脉冲电源、激光电源：( 1 2 ) 燃料电池或太阳能光一电转换系 统输出的恒压直流电源或恒频、恒压交流电源；( 1 3 ) 抽水储能发电站、超导磁体 储能、磁悬浮运载工具等高压特大容量的电力电子变换电源。 1 3u p s 概况及发展趋势 随着信息技术的不断发展和计算机应用的日益普及，一般的高新技术产品和 设备对供电的质量提出了越来越严格的要求。妇计算机、工业鲁动化过程控制系 统、医用控制系统、数据通信处理系统、航空管理系统、精密测量系统以及电信、 银行等重要用电部门，均要求交流电网对其持续提供稳压、稳频、无浪涌、无尖 峰干扰的优质交流电能。这是因为供电的突然中断或者供电质最严重超出设备或 系统的标准要求，轻者造成数据丢失或系统运行异常，重者会造成系统瘫痪而引 4 湖北工业大学硕士学位论文 起难以估量的损失。然而普通交流电网供电时，因受自然界的风、雨、雷电等自 然灾害以及其他意外事故的影响，还有由线性和非线性负载混合使用引起的谐波 过量、电流失真，势必造成所提供的电能不能完全满足负载的严格要求。为了保 证对负载供电的连续性，为负载提供符合要求的优质电能，满足一些重要负载对 供电电源提出的严格要求，就需实用到不间断电源u p s ( u n i n t e r r u p t i b l ep o w e r s u p p l ) ，) 。 1 3 1u p s 概况“1 不间断电源u p s 属于开关型电力电子变换电源的一个分支，它主要具有以下 几个方面的功能：( 1 ) 电压变换功能，可以将输入2 2 0 v 电压变换成所需要的电压， 并且可以使输出电压稳定。( 2 ) 频率变换功能，可以将输入电压频率变成所需要 的频率，并起到稳频作用。( 3 ) 后备功能，u p s 电源都带有蓄电池，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。( 4 ) 隔离功能，将用电装置与电网隔离，既避免了电网的波动影响负 载，同时也避免了负载对电网的干扰。( 5 ) 多路电源的并联与切换，多路电源通 过u p s 并联一起对重要的负载供电，某一路出现问题能够及时切换到其他供电线 路供电，保证重要负载的供电不间断。 目前，u p s 的主电路拓扑结构主要有三种：“”1 ( 1 ) 后备式u p s ：当市电在规定电压范围内正常供电时，输入电压经自动电压 调节环节稍许滤波，排除一些干扰后，直接输出供给负载。而当市电异常，超出 规定范围时，u p s 启动逆变器，将后备的电池电压变换成等价于正常市电时的电 压值再输出给负载，其基本拓扑结构如图1 2 所示。此种u p s 的优点是可靠性较 高，结构相对较简单，效率较高，价格也便宜。但由于经逆变后大都是方波或类 方波波形，故供电质量稍差，加之市电异常时需启动逆变器由电池洪电，有一定 的切换时间。 图1 2 后备式u p s 拓扑结构 ( 2 ) 在线式u p s ：又称为双变换式u p s ，即从市电输入到u p s 输出经过了 湖北工业大学硕士学位论文 ! 竺= = ! = = ! = ! = ! ! = ! = = ! i = = 一= i = i ! = = ! = ! ：= a c d c 和d c a c 两次变换，其基本拓扑结构如图1 3 所示。在市电正常情况下， u p s 输入电压经整流、滤波等电路变成直流电压，然后经逆变器将直流电压变成 负载需罗的交流电压。当市电异常时，输入自动切换到蓄电池上，由蓄电池供电， 经逆变器后输出交流电压给负载。此种u p s 显然在电路上比后备式u p s 要复杂得 多，由于采用二次变换，大大改善了负载的供电质量。但其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，由此而产生在线式u p s 比后备式u p s 价格高很多。 图l - 3 在线式u p s 拓扑结构 ( 3 ) 在线互动式u p s ：它介于后备式u p s 和在线式u p s 之间。其内部有一个 双向变换器，既可以当逆变器使用，又可作为充电器。所谓在线是指输人市电正 常时逆变器处于热备份状态而作为充电器给电池充电。在线互动式又称线路交叉 式、三端口式。图卜4 为一个典型的在线互动式拓扑。图中交流输入端l i - n 为 第一端口，双向交换器绕组7 8 为第二端口，输出电压端l o n 为第三端口。当 输人市电在规定范围内变化时，u p s 通过调整变压器的抽头来大致稳定输出电压。 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。 纠cj 叫c ： 。，l 一 l 旦牛“ 一型j 璺11 lil 划。 图1 - 4 在线互动式u p s 拓扑结构 在线互动式省掉了后备式u p s 的附加充电器，其充电能力要比附加充电器强 得多：如果需要对输人输出进行电气隔离，则改变压器自耦式为隔离式即可。与 在线式u p s 相比，由于没有经过两次变换，其功率损失明显低于双变换机，因而 效率高，因此它既具有后备式u p s 高效率的特点，又有在线式u p s 高质量的特点。 6 湖北工业大学硕士学位论文 这种拓扑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。 以上三种结构的u p s 各有其优缺点，就供电质量来说，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 ，努力提高其性能指标，成为u p s 发展的主要 方向。 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。主要表现在以下一些方面： 输出电压和输出频率超过额定值的规定变化范围。在市电正常供电时，一 般输出电压和输出频率能控制在规定变化范围内，而一旦切换到后备电池供电时， 有的输出电压值超过交流2 5 0 伏，有的输出频率商达7 0 8 0 h z ，有的输出波形不 是正弦波或方波，而是无规则的杂波。这里尤以后备式u p s 较为严重。 备用时间不足，一般u p s 在额定负载情况下。由电池供电的备用时间要大 于5 分钟，以保证市电异常时，信息处理设备有足够时间对正在处理的信息采取 必要的有效措施。但目前市场上有些u p s 所使用的电池由于质量不好或电池失效， 在充电时，电池不能吸收电能，放电时不能放出电流，因此这些电池在额定负载 状态下，放电时间在5 分钟以下，有些甚至只有几十秒钟，这就失去了使用u p s 的意义。 切换时间过长。对后备式u p s 来说，从市电供电切换到电池供电，对在线 式u p s 来说，当逆变器故障时，输入从双变换电路切换到旁路开关由市电直接供 电。不论是哪一种切换，在切换过程中，输入电源均被切断，此时输出正常电压 仅靠电容的放电维持十几毫秒。一旦电容放电结束，输出电压也为零。因此技术 条件中规定切换时间应小于l o 毫秒，尤其是后备式u p s ，这是一个非常重要的指 标。但是目前许多u p s 切换时间达4 0 5 0 毫秒，甚至少数的达到7 0 8 0 毫秒。 这么长的切换时间势必会给信息处理设备带来短时间停电，造成有用信息的丢失。 功率因数低，一般仅为o 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。 湖北工业大学硕士学位论文 1 3 2u p s 发展趋势2 1 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 性能的多种技术和方案，整体可以归纳如下：( 1 ) 采用先进 的控制策略，采用数字化控制技术：( 2 1 采用新的拓扑结构，简化主电路结构：( 3 ) 采用新型功率器件；( 4 ) 采用软开关技术：( 5 ) 采用新型封装技术和封装结构， 以期u p s 向着以下几个方面发展： ( 1 ) 智能化。一个智能化的u p s 的硬件部分基本上是由普通的u p s 加上微机 系统所组成。微机系统通过对各类信息的分析综合，除完成u p s 相应部分正常运 行的控制功能外。还应完成以下功能t 对运行中的u p s 进行实时监测。对电路中的重要数据信息进行分析处理， 从中得出各部分电路工作是否正常。 在u p s 发生故障时，能根据监测结果，及时进行分析，诊断出故障部位， 并给出处理方法。 完成部分控制工作，在u p s 发生故障时，根据现场需要及时采取必要的自 身应急保护控制动作，以防故障影响面的扩大。 完成必要的自身维护。能根据不同电池的不同要求，采用相应的方式对电 池进行充电，并自动完成电池状态检测与维护。 自动显示所监测的数据信息，在设各运行异常或发生故障时，能够实时自 动记录有关信息，并形成档案，供工程技术人员查阅。 ( 2 ) 高频化。第一代u p s 的功率开关为可控硅，第二代为功率晶体管，第三代 为场控型器件( m o s f e t 和i o 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、体积、动态响应特性和精度 都大大提高。 ( 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，社会对无污染绿色电源装置的呼声愈来愈高，各种相关政策也相继出台。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 应在电网输入端采用功率因数校正技术，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o 9 8 以上。 湖北工业大学硕士学位论文 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， 并控制系统的成本。为了达到这个目的，本方案主要采取了以下措施： ( 1 ) 逆变电路功率器件采用i g b t ，损耗低效率高，可靠性大大提高。 ( 2 ) 采用p c 单片机进行控制，减少了所需元器件，降低了成本，提高了系统 的集成度和可靠性。 ( 3 ) 采用电压反馈控制策略，保证输出电压稳定。 ( 4 ) 输入端加入功率因数校正环节，提高功率因数到o 9 8 以上。 系统总体硬件框图如图1 5 所示：电网输入交流电经整流滤波后，变成直流电 压，送入功率因数校正模块( p f c ) ，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 。另方面，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，供给桥式逆变电路。 丁f 常工作时，由市电整流所得直流给逆变器供电，而当市电异常时，功率因数校 正电路输出的直流电压将达不到3 6 0 v 当低于3 5 0 v 时，则自动切换到蓄电池供 电。高压直流电经过桥式逆变电路逆变后，再经输出滤波变成2 2 0 v 、5 0 h z 纯正弦 波交流电，供给负载。 磊嚣h 蓄电池li ! 竺! ：! 竺竺 l 输入 输入i 整流 - i 滤波 l 电路 升压电路ll 驱动保护电路il 电压反馈 功率因数 校正电路全嚣变h 输誊擎畔 图1 5 系统总体框图 整个电路分为四大部分：输入整流及功率因数校正电路部分( p f c ) ，蓄电池 充电部分，蓄电池升压部分和全桥逆变电路部分。由于时间的原因，本课题中只 ， 完成了p f c ，蓄电池升压部分和全桥逆变电路三个部分，没有对蓄电池充电部分 做深入的研究。下面将分别来介绍这三个部分的具体设计。 9 湖北工业大学硕士学位论文 第2 章输入整流及功率因数校正电路 2 1 功率因数校正技术“钉“” 将交流电变换成直流电的整流电路，目前一般都采用整流桥后接一个大电容 滤波的方案，如图2 1 ( a ) 所示。这种电路结构简单，容易得到平滑的直流电压， 但是整流桥的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，尽管电网输入电压为正弦，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，致使输入电流呈窄脉冲波形。脉冲状的输入电流，含有 丰富的谐波成分( 特别是其中三次谐波尤为突出，占7 0 以上) 却只有较低的有 效值，功率因数低( 仅为o 6 左右) 。 v t ! v i ( ) 电路围 cb ) 输入电压电流设形 图2 。la c - d c 整流滤波电路及输入电压电流波形 电子仪器输入端的谐波电流容易氆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，只是白自消耗在线路上，造成能源浪 费：更为严重的是，这些谐波分量以各种途径( 如环路效应、纵向电磁感应、纵 向静电感应和传导等) 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 m a t i o n a le 1 e c t r o t e c h n i c a l c o m m i s s i o n ) ，欧洲电工技术标准委员会c e n e l e c ( e u r o p e a nc o m m i t t e e f o r e l e c t r o t e c l n i c a ls t a n d a r d i z a t 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 s e 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。 1 0 湖北工业大学硕士学位论文 提高功率因数的重要途径之一，就是设法降低谐波电流的含量。通常采用无 源功率因数校正技术和有源功率因数校正技术。无源功率因数校正方法就是在 a c i d c 变换器的输入端增加无源元件( 电阻、电容、电感等) ，以补偿滤波电容的 输入电流，减少谐波电流，提高功率因数。无源校正法电路简单，易于实现，但 功率因数校正有限，一般只能校正到0 9 左右，谐波含量仍然很大；而且所需电感 电容容量大、体积大，不利于缩小整机体积；直流侧动态性能差，对整机性能改 善也有限。有源功率因数校正( a p f c ) 是在整流电路与滤波电容之间增加一个功 率变换电路，它将整流器输入电流校正成与电网电压同相的正弦波，消除了谐波 和无功电流，因而功率因数可提高到近似为1 0 。 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j 下电路。 2 2 控制芯片u c 3 8 5 4 a 介绍“”1 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。主要芯片有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 3 、m i a 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 5 、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 的结构框图如图2 2 所示。它主要包括：电压放大器v a ，模拟乘法 除法器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、输入电压箝位、过流保 护的比较器等。 其主要特点有： 控制b o o s t 型p w m 变换器，功率因数接近于1 ： 限制输入电流失真小于3 ： 适用电压范围宽，在全世界范围工作无需另设量程开关： 湖北工业大学硕士学位论文 采用平均电流控制方法； 集成的电流和电压放大器输出箝位电路 高带宽( 5 m h z ) 、低失调电流放大器： 低启动电源电流( 3 0 0 i _ t a ) i 两种欠压锁定阈值( 1 6 v 1 0 v ) 。 、i c c g t d r ” i s b h s e ( = tr s e t 图2 2 u 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 一g n d ，接地端，所有电压的测量以它为准。 2 一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， 电路将被关闭。 3 c a o u t ，电流放大器c a 的输出端，设计芯片时c a 和v a 的输出级为一 个n p n 射极跟随器。 4 一i s e n s e ，电流检测端，内部接c a 输入负端，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，即电流检测的另一端，内部接乘法，除法器输出 端和c a 输入正端，外部经电阻按电流检测电阻的电压负端。 6 一i a c ，输入电流端，内部接乘法除法器输入b ，外部经电阻接整流输入电 压的正端。 7 v ao u t ，电压放大器v a 输出端，内部接乘法除法器输入a ，外部接r c 反馈网络( 网络的另一端接输出电压检测端1 1 ) 。 湖北工业大学硕士学位论文 8 一v m s ，有效值电源电压v r m s 端，内部经过平方器接乘法除法器输入c ， 起前馈作用；v r m s 的数值范围为1 5 4 7 7 v 。 9 - - v r e f ，基准电压端，产生7 5 v 基准电压。 1 0 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 - - v s e n s e ，输出电压检测端，接电压放大器v a 的输入负端。 1 2 一r s e t ，外接电阻r s e t 端，控制振荡器充电电流及限制乘法，除法器最大 输出。 1 3 - s s ，软启动端。 1 4 c t ，外接电容c t 端，c t 为振荡器定时电容，使产生振荡频率。 1 5 一v c c ，集成电路的供电电压端v c e ，典型值2 0 v 。 1 6 一g td r v ，门极驱动端，通过电阻接功率开关管门极，该端电位箝位在1 5 v 。 2 3u c 3 8 5 4 a 控制的升压型功率因数校正电路及工作原理“”2 1 u c 3 8 5 4 a 为平均电流型控锦4 芯片，平均电流型控制方法采用恒频控制，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。 平均电流型控制方法用于功率因数校正的基本原理是：以输入整流电压和输 出电压误差放大信号的乘积为电流基准，由电流环调节输入电流平均值，使之与 输入整流电压同相，并接近正弦波形。输入电流信号被直接检测与基准电流比 较后，其高频分量的变化，通过电流误差放大器，被平均化处理。放大后的平均 电流误差与锯齿波比较后，来控制开关管s 1 驱动信号的占空比。于是电流误差被 迅速而精确地校正。由于电流环有较高的增益带宽( g a i n b a n d w i d t h ) ，使跟踪误 差产生的畸变小于l ，容易实现接近予l 的功率因数。 图2 - 3 为u c 3 8 5 4 a 控制b o o s t 型功率因数校正电路的基本原理图，由主电路 和控制电路两部分组成。该电路核心是电流调节器，由线性乘法器、电流误差放 大器和p w m 比较器组成。p f c 电路是一个双闭环控制系统，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；外环是一个电压环， 它使输出电压高于输入电压峰值且保持稳定。 正比于输入全波整流电压的电流i a c 和误差放大器输出电压v v e a 及前馈电压 v 1 = 1 = 在乘法器中相乘，产生基准电流信号i m o ，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i l 通过电流取样电阻飚产生电流取样电 湖北工业大学硕士学位论文 图2 3u c 3 8 5 4 a 控制的b o o s l = 型功率因数校正电路原理图 压v s ，它与r m o 上的电压相减看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。这一结果的实现是靠p w m 开关电 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，去驱动功率开关管，脉宽调制的高频开关电流在升压电 感l 的作用下全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。 在控制电路中，u c 3 8 5 4 a 将高频模拟信号与锯齿波信号比较，产生p w m 脉冲，经驱动电路控制功率开关管的开通与关断，从而实现功率因数校正与稳压 输出。输出占空比同时受四个独立输入信号所控制：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 m a s 。 ( 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7 5 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 e 。 4 湖北工业大学硕士学位论文 ( 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 c ，与电压误差放大器输出 信号v v e 。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： ，：生：! ! 竺幽匦竺剑 肌 月c r j c ( 2 1 ) ( 3 ) 输入电流取样信号v s 电沉取样电阻飚上的压降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，乘法器的输出是一个电流，它随6 脚i a c 电流和7 脚v ao u t 电压增加而增加，随v p , 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。 2 4 主电路设计 2 4 1 开关管s 1 和二极管d 1 的选择 丌关管和二极管必须有额定值，以保证他们可靠的工作。开关管的电流容量 应该大于或等于电感器中的最大峰值电流电压额定值至少等于输出电压，二极 管也一样。由于开关管必须携带满载电流、再加上在全输出电压时从二极管导通 到关闭的整个反相恢复电流，所以峰值功耗很高，为了减少开关管的导通损耗， 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。开关管和二极管还必须根据实际应用降额使用。 本课题中，功率开关管选用l r 公司m o s f e t 型号为i r f p 4 6 0 ，耐压5 0 0 v ， 允许通过最大电流2 0 a ，导通电阻0 2 7 欧。二极管选用d s e l 3 0 0 6 a ，耐压6 0 0 v ， 允许通过最大电流3 7 a ，反相恢复时间3 5 n s 。 2 4 2 储能电感的设计 电感器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 湖北工业大学硕士学位论文 - - _ _ - _ _ - _ - _ _ _ _ - - _ _ _ - _ i - _ _ l - _ _ l _ - - _ l _ _ - _ _ _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - _ _ _ - 一i i ii _ _ - _ - _ _ _ - _ _ _ - 感值。电感器的选择始于输入正弦电流的峰值 压的峰值处，并由下式给定： 4 2 p “川2 了磊i 最大峰值电流出现在最小线路电 ( 2 2 ) 对于本设计中的变换器，按电网波动：t ：1 5 ，最大峰值线路电流是在1 8 7 v 交 流输入电压时的7 5 6 a 。电感器中的峰一峰值纹波电流，通常选择在最大峰值线路 电流的2 0 左右。这有点任意性，因为这通常不是高频纹波电流的最大值。一个 大纹波电流将使变换器进入断续导通型工作方式，对多数整流的线路电流周期来 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