（电路与系统专业论文）单相双级功率因数校正开关稳压电源研究.pdf

摘要 摘要 开关电源是是电源工程师智慧的结晶，而且在人类不断努力之下电源体积 不断缩小、重量不断减轻、效率也不断提高。虽然科技发展使得许多传统的难 题得以解决，但是开关电源也有它固有的问题，功率因数比较低。随着开关电 源变换器的使用数量不断增多和众多设备的功率不断增大，大量的谐波电流被 注入电网，严重影响了电能质量，威胁电网的安全运行，同时增加了电能损耗， 降低了经济效益。面对谐波电流的危害，制定i e c l 0 0 0 3 2 标准的国际电工委员 会( i e c ) ，更加明确要求了电路的功率因数校正( p f c ) 或者谐波电流的降低，这 一标准的出台使得电力电子领域的研究人员要对这类问题给出有效的解决方 案，总之进行功率因数校j 下技术的研究很有意义也十分必要。 在有源功率因数校正电路结构中，在不少的情况下，我们一般推荐使用单 相双级功率因数校电路而不用单相单级功率因数校正电路，其中的原因不仅是 开关管的电压应力大，流过其上面的电流也不小，功率因数校j 下的结果也比不 过双级的，况且也不很成熟。所以单相双级功率因数校正技术研究有着很强的 实用意义和使用价值。 文中开始给出了谐波的危害，提出了功率因数校正的必要性和国内外对其研 究状况，进而讲了功率因数校正( p f c ) 的方法和机理，接着对功率因数校正的电 路拓扑、控制方法作了综合阐述，指出了当今p f c 技术研究的热点问题。有鉴于 实际需要，主要研究了a p f c + 双管正激d c d c 变换器的单相双级功率校正电路， 并设计研制了一台采用双环控制的i o o w 试验装置。论文详细计算了关键电路和 元器件设计和选取，并且在电路运行情况下测量了电源的数据和波形。 结果得出作者设计的这个开关稳压电源有如下优点：输入电流谐波畸变小， 输出电压特性好，变换效率高、功率因数比较高，且进行了电磁干扰性考虑，运 行可靠性能基本达到设计指标。这种开关稳压电源的设计方案在实际应用中 具有较强的价值。 关键词：开关电源、谐波电流、功率因数校正、双管正激变换器、双环控制 a b s t r a c t a b s t r a c t s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi s t h ew i s d o mo ft h ep o w e re n g i n e e ra n ds m a l l ， l i g h t w e i g h ta n dh i g he f f i c i e n c ys w i t c h i n gp o w e rc o n v e r t e ri st h ec o n s t a n tp u r s u i to t t h eg o a l w i t ht h ed e v e l o p m e n t ，m a n yo ft h et r a d i t i o n a lp r o b l e m sa r er e s o l v e d ，b u t t h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yh a si t si n h e r e n tp r o b l e m s ，t h ep o w e rf a c t o ri sr e l a t i v e l y l o w w i t ht h ei n c r e a s i n go fs w i t c h i n gp o w e rc o n v e r t e r sa n dt h ei n c r e a s i n gp o w e ro t m a n yd e v i c e s ，al a r g en u m b e ro fh a r m o n i cc u r r e n ti s i n j e c t e di n t op o w e rg r i d ， s e r i o u s l ya f f e c t i n gt h ep o w e rq u a l i t ya n dt h r e a t e nt h es a f eo p e r a t i o n ，a n dt h es a m e t i m ei n c r e a s i n gp o w e rc o n s u m p t i o n ，r e d u c ee c o n o m i cb e n e f i t s t h ef a c eo fh a r m o n i c a l n e n th a z a r d s t h ei n t e r n a t i o n a le l e c t r o c h e m i c a lc o m m i s s i o n ( i e c ) d e v e l o p e di e c 10 0 0 3 2s t a n d a r d p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) o rr e d u c et h eh a r m o n i cc u r r e n t s m a d em a n d a t o r y , t h ep h e n o m e n o nf o r c e dt h ef i e l do f p o w e re l e c t r o n i c sr e s e a r c hs t a f f t og i v et h i sk i n do fp r o b l e me f f e c t i v es o l u t i o n s ，t h u st h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n t e c h n o l o g yo fg r e a ts i g n i f i c a n c ea n da l s oi sv e r yn e c e s s a r y d u et os i n g l e - p h a s em e d i u m - p o w e rs i n g l e - s t a g ep f cc o n v e r t e rs w i t c hv o l t a g e a n dc u l l 伽s t r e s si sr e l a t i v e l yl a r g e ，a n dt h ee f f e c to fp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o ni s f a r b e t t e rt h a ns i n g l e p h a s et w o s t a g ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n t h e r e f o r et h er e s e a r c ho f s i n g l e p h a s et w o s t a g ep o w e r f a c t o rc o r r e c t i o nh a sp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c ea n d a p p l i c a t i o nv a l u e f i r s t l yp a p e ri n t r o d u c e st h es i g n i f i c a n c eo fp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n a n dt h e d e v e l o p m e n tp r o c e s s ，t h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) o f t h ep r i n c i p l ei sa n a l y z e d ， a n dt h e no nt h ep 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 y , c o n t r o lm e t h o d sw e r e i n t e g r a t e da n de x p l a i n e dt h a tt o d a y st e c h n o l o g yr e s e a r c hp f c h o ti s s u e i nv i e 、) l ，o f p r a c t i c a ln e e d t h em a i n l yr e s e a r c ho ft h ea p f cp l u sd u a ls w i t c hf o r w a r d d c d c c o n v e r t e rs i n g l e p h a s et w o s t a g ep f cc i r c u i ti sm a d e , a n da10 0 wd o u b l e _ l o o p c o n t r o lo ft e s te q u i p m e n ti sd e s i g n e da n dd e v e l o p e d p a p e ri n t r o d u c e st h ed e s i g n m e t h o do fk e yc i r c u i tp a r a m e t e r si nd e t a i l f i n a l l yt h et e s tw a v e f o r mi sg i v e n o u rd e s i g na n dt e s tr e s u l t ss h o wt h a ts i n g l e - p h a s et w o s t a g ep f c c o n v e r t e rh a s i l a b s t r a ( 了r t h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ：l o wi n p u tc u r r e n th a r m o n i cd i s t o r t i o na n db e t t e ro u t p u t v o l t a g ec h a r a c t e r i s t i c s ，a n dc o n v e r s i o ne f f i c i e n c y , p o w e rf a c t o ri sr e l a t i v e l yh i g h e r , a n dt h ec o n s i d e r a t i o no fe l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，r e l i a b l eo p e r a t i o n b a s i c a l l y t h ed e s i g np e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sa r em e e t t h ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nt e c h n o l o g y s o l u t i o n sh a v eac e r t a i np r a c t i c a la p p l i c a t i o nv a l u e k e y w o r d s ：s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ，h a r m o n i cc u r r e n t ，p f c ( p o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n ) ，d u a l s w i t c hf o r w a r dc o n v e r t e r ，d u a l l o o pc o n t r 0 1 i i i 1 绪论 1 绪论 电力电子技术属于多学科边缘交叉学科，见图1 1 ，这些年来发展很快，各 种电力电子装置在电力系统得到了广泛应用。到现在为止，该学科可以说是比 较完整，也比较系统的了。其中开关电源技术是电力电子技术在实际应用中的 一个分支。如今开关电源技术在航天、通信、交通等领域里得到了广泛应用， 通常被比作“电气设备的心脏”，是所有电设备的动力。正是由于各种电力电子 装置的大量需求和技术的发展对其重量、体积、效率、性能、功能和可靠性等 提出苛刻的要求，同时给电网造成严重的谐波污染和电磁干扰【l 儿2 jp j 。 图1 1电力电子的领域结构 1 1 直流稳压电源分类及其介绍 从功率管在直流稳压电源工作时的运行方式上分类，有线性的和开关的两 种运行方式，即一般所说的线性稳压电源和开关稳压电源两种。 所谓的线性稳压电源的主要的区别点是：晶体管工作在放大的状态下，而 且把无用功以热的形式散失，效率低下，商用变压器体积大、重量大、效率也 低下，况且需要大的电容器，因为如果容量小的话，纹波将会增加，晶体管的 损耗会进一步增加，整流管上流过的电流和输出电流相同，也会损耗功率，在 功率器件上安装的散热器面积较大；但是拥有高稳定性、简单的结构、较少的 1 绪论 电器噪声，可靠性和成本方面也很突出，可用作稳定性要求很高的地方，特别 适合在在功率要求不太大的场合使用。例如在无线电和测量仪器、计量室等场 合使用。经过几十年的发展，已经比较成熟，正朝着集成化、模块化、智能化 方向发展，而且优势还表现在价格便宜，操作方便，使用简单等方面，所以一 直没有被淘汰，也不可能被淘汰。 再说丌关稳压电源，它的主要不同点是功率器件工作在开和关两种状态下， 因为它的工作频率一般都在千赫兹的水平上，一般工作频率越高对于变压器、 电感、电容等器件体积越小、所以开关稳压电源的体积越来越小，功率密度也 越来越高，重量也就减下来了。另外一个优点是开关稳压电源直接把交流整流 成直流，输入电压高，相应的输入电流就小，这样整流管的损耗就小。整体来 说突出点就是效率高。但是缺点就是电路结构和控制相当复杂，会产生很大的 噪声和电流谐波，引起电磁干扰问题等，工程师们也会因这些问题而耗费很大 的精力来控制和解决，所以不太适宜用在例如在无线电、测量仪器、计量室、 医用设备等处理的信号比较微弱的仪器中。 在有些情况下，一般市电需要转换方能符合实际的需要。例如，交流转换 成直流，高压电变成低压电等。人们形象的把这一过程比作“粗电”炼为“精 电”，“粗电”炼为“精电 后才好使用【4 】。 1 2 线性直流稳压电源 变化的电网电压、有电压降元器件( 变压器、整流二极管) 、纹波电压和变 化的负载等因素会使较为平滑( 经过整流和滤波环节) 的直流输出电压不稳定。 不稳定的直流电压有时会引起控制装置工作的不稳定，产生测量和计算上 的误差，特别是精密电子仪器、自动控制、计算装置及晶闸管的触发电路等都 要求有稳定的直流电源供电。最初是使用稳压二极管来实现稳压，在集成电路 稳压器出现之前，串联稳压器通常由晶体管、运算放大器和稳压二极管来设计 电源，进入集成电路时代后，用上述方法构成的线性稳压电源的例子就逐渐减 少了，出现了基准电压集成电路和3 端子稳压器集成电路和通用可调稳压器( 例 如u a 7 2 3 ) ，正负跟踪稳压器用的i c t a 7 1 7 9 p 等，大大简化了电路的设计，因 其使用简单，所以得到了广泛的应用。 就像数字电路的出现让传统的模拟电路黯然失色一样，以开关稳压电源的 2 1 绪论 推出也让线性直流稳压电源逐步在大家的视线中淡出，但是线性直流稳压电源 的发展仍然在继续，在不少局部、模拟电路、小容量的稳压领域有很大的市场， 绝不可能完全被取代。为了说明电路是如何工作的，我们用一个简单的串联式 的线性稳压电源来给大家简要的做一下介绍，它的电路图如图1 2 所示。 在这个电路中，误差放大器的反向输入端子和输出电压的检测信号( 通过电 阻r 1 和r 2 进行分压的到) 相连接，一般为了减少损耗，提高电路的效率，和 电阻允许承担的最大功率和采样精度角度考虑，这两个电阻选用大阻值高精度 的电阻。正向输入端子与基准电压v r e f 相连，可以选用稳压二极管做基准电压， 若觉得它的稳定性和精度都不能够达到我们完全满意的程度，我们可以选用基 准电压i c ，例如可调并联稳压器t l 4 3 1 等。当输出电压变化时，输入误差放大 器的反向端电压也会变化，然后误差放大器的输出端电压经过放大环节后输入 到晶体管的基极，空过控制基极电压来保证输出电压的稳定，在这里晶体管相 当于一个可变电阻。我们可以调整r l 和r 2 的比值来调节所需要的输出电压。 线性调节器 广一一一一一一一一一l ：叻：，o 输出 图1 2 线性直流稳压电源 基本上线性电源由起始电路、保护电路、驱动电路、误差放大电路和基准 电压电路等几部分构成。 1 3 开关直流稳压电源 在电源市场和日常生活环境中，各种电子电路的电源电路和电源装置上， 只要可以，都无一例外的用开关稳压电源代替了。结果满足各种不同用途的开 3 l习 1 绪论 关稳压电源也是琳琅满目，以至于很难将他们正确的区别开来。 但是我们可以将其分为三个大类：斩波方式的稳压器、变换器方式的稳压 器和d c d c 变换器。斩波方式在输入输出端之间几乎没有电器绝缘，所以不能 用于采用商用电源的线性可调电源。从某种意义上说，也许它不适宜称为开关 稳压器，多用于构成d c d c 转换器，即由一种直流电源得到另一种所需的直流 电源，例如，可以由正5 v 电源得到负5 v 电源。斩波方式通常用作单板稳压器。 真正的开关稳压器是由变频方式构成的，主要有小型( 小容量) r c c 方式、 中容量的j 下向变换器方式、大容量的多晶体管变换器方式。 另外一类器件叫d c d c 变换器，虽然采用了相似的技术，但是与开关稳压 器有明显的差异。他们的作用只是实现电压的变换，除非专门定做了稳压器( 稳 定电压) ，否则不具备开关稳压的功能。但由于d c d c 变换器也使用了开关晶 体管和变压器，因此与开关稳压器具有类似的工作原理和功能。 1 3 1 开关直流稳压电源的基本原理 开关稳压电源原理图如1 3 所示，它由整流桥、开关功率管v 、误差放大 器、p w m 生成器、电流放大器、续流二极管d 、储能电感h 、电容c 和输出 电压采样电路等组成。其原理如下：假设输入电压叱变大，这会引起误差放 大器输出电压u 龆变小，让锯齿波和u 的交点降低，那么开关管的开通时间缩 小，保持了输出电压的恒定性。同样的，假如u d c 变小，开关管的导通时间延 长而保持输出电压的不变性。通过这样的机理使得采样电压和参考电压相等。 d c d c 转换器 r 一一一一一一一一1 图1 3 开关直流稳压电源 4 1 绪论 1 3 2 开关电源设计注意事项 开关电源开关电源独有的优势，让开关电源不断的发展，逐渐也推出了各 种完善、成熟的业界标准。这就让让设计者在设计电源时必须考虑到标准的所 有细节。例如要采用特殊的装置进行输入瞬变电压保护；开关电源供电是有电 磁噪声的，就要设计输入滤波器来保证电磁兼容性；高压开关和隔离变压器的 静电屏蔽问题；保护电路的输入端熔断器的选取；为降低电流畸变时对交流整 流和输入电容滤波器的特殊设计；减少电源刚接通时流过输入端电流的浪涌限 制设计；在离线开关电源中的启动方法问题( 软启动，防止启动过电压等) ；输 出电压失控时的输出过电压保护；较大的瞬变电流需求和停电造成的输出欠电 压保护；针对输入功率限制的过载保护；电源的输出电流限制；对双级型晶体 管基极的驱动要求；比例驱动电路；抗饱和技术；缓冲期网络的设计；在半桥、 全桥和推挽式应用中的防止直通现象的考虑；有关联的输出滤波，共模噪声和 输入一输出隔离；供电正常信号和故障报警以及低压禁止；供电维持时间设计； 以及双输入电压供电运行方式；同步约束；外部禁止方式；强制均流设计以及 p 端连接；远程取样；电压和电流的限制值调节；以及在设计电源时的安全标 准要求等。 1 3 3 开关电源d c d c 变换器主电路 d c d c 变换器包括隔离式和非隔离式两大类，他们之间的衍生关系如下图 1 4 所示【5 】： 图1 4d c d c 变换器主电路衍生关系图谱 5 1 绪论 1 4 电网谐波含量与功率因数校正 各行各业以及家庭中各种各样的电气设备和电子设备的大量广泛的使用，使 得大量的谐波电流产生并且在电网中传播，造成谐波污染，总结起来谐波主要 来源可囊括在三方面：首先发电厂生产的劣质的电能本身就带有谐波；其次在 输配电过程中也会不可避免的产生谐波；最后用电设备产生的谐波。其中用电 设备产生的谐波是最多的。 1 4 1 功率因数的基本概念 明确功率因数的基本概念是正确认识、分析并解决谐波污染和无功问题的 前提。 功率因数的定义有线性电路和非线性电路之分，在线性电路中我们一般用 c o s q o 表示，其中( p 代表电路中正弦电压和j 下弦电流的相位角的差值。在非线性 电路中我们一般用p ( 有功功率) 除以s ( 视在功率) 来计算，其表达式如下【6 1 ： p f ：一p ：v l l l c o s c a z ( 1 1 ) su r it 式中p 输入有功功率； s 视在功率； u r 电网电压有效值； i r 输入电流有效值； u i 输入电压基波有效值； i l 输入电流基波有效值； q l 基波电流与电压的相位差。 在非线性开关电源等a c d c 变换电路中，可以认为输入电压为正弦波，而 输入电流是非正弦波，其有效值是 厶= 矸+ 乏+ + e - - 4 x z ：。露 ( 1 2 ) 由于电网电压是正弦波，因此u r _ u l ，式( 1 1 ) 可以写成 p f ：手- c o s ( a i = 鲁c o s 秒| 上詹 7 6 ( 1 3 ) l 绪论 式中 乒考2 再蒜 “4 式( 1 3 ) 中的芎我们称为畸变因数，用它度量电路中电流波形形状和正弦 波波形的偏差程度，c o s q 0 我们称为位移因数，它代表基波工f 弦电流与正弦电压 之间的相位角的差值的余弦值。因此功率因数也被看作是畸变因数与相位因数 的乘积。同时也发现当电流不含谐波分量时，该功率因数的定义为p f = c o s 9 l ， 与传统的功率因数定义一样。 在工程上电流谐波和电压谐波的含量经常用谐波畸变率( t o t a lh a r m o n i c d i s t o r t i o n ，t h d ) 来表示，即t h d 定义为总谐波有效值与基波有效值之比： m =10 0 ( 1 5 ) 由式( 1 4 ) 和( 1 5 ) 可得t h d 与畸变因数毛的关系为 孝2 丽1 ( 1 6 ) 所以功率因数可以表示为 p f 2 # c o s # a t = 7 三c 阳仍 ( 1 7 ) l + z h d 由式( 1 7 ) 可知功率因数的提高应从输入电流的相位校正和谐波的消除两 方面着手。 1 4 2 功率因数校正分类及其发展 功率因数校正的作用是使电流与电压趋于同相位并对输入电流波形进行整 形使其呈正弦波波形。功率因数校正有许多不同的实现方法和分类方法【7 卜f 13 1 。 l 、按p f c 电路使用的元器件不同，可分为无源p f c 和有源p f c 两种类型。 2 、按控制信号量的性质不同，可以分类为模拟p f c 和数字p f c 。 3 、按电网供电方式不同，p f c 可分为单相和三相两种类型。 4 、按p f c 变换器的级联方式不同，可分为两级p f c 和单级p f c 。 5 、按p f c 变换器电路拓扑结构不同，可分为b o o s t 型、b u c k 型、b u c k b o o s t 型和f l y b a c k 型四种基本类型。 6 、按输入电感电流是否连续，有源pf c 可以分为电流连续模式( c c m ) 和 电流断续模式( d c m ) 以及介于两者之间的电流临界模式( b c m ) 。当变换器 1 绪论 工作在不同的导通模式时，其控制方法也不同。常用的c c m 控制策略有：平 均电流型，峰值电流型，滞环电流型和脉动电流面积型等几种；d c m 控制 策略又称为电压跟踪法，也可分为恒频控制和变频控制两种。 为了寻求更加简化的控制策略、降低p f c 成本、减j i l t h d 和e m i 、降低 器件开关应力、提高整机效率，新型非线性智能化控制策略也出现在a p f c 中，这些新颖的控制方法有单周期控制、空间矢量控制、无差拍控制、滑模 变结构控制和模糊p i d 控制等控制等。 1 5 课题的意义和主要工作 1 5 1 选题的意义 谐波的危割1 4 】 1 对电网的稳定运行产生不利，比如线路的稳定性和电网的质量等。 供配电系统中的电力线路与电力变压器采用继电器来检测和保护来保障线 路与设备的正常运行，可是继电器容易受谐波影响而造成误动或者拒动。这 种情况会严重威胁供配电系统运行的稳定性与安全性。 电力系统中的谐波能使电网的电压与电流波形发生畸变。如低压配电系统 中的中性线，因为荧光灯、调光灯、计算机等负载，会产生大量的奇次谐波， 其中又以三次谐波的含量较多，最高能达到4 0 ；三相配电线路中，相线上 的三的整数倍的谐波在中性线上的叠加，会产生相线上的电流小于中性线上的 电流值的情况。此外，相同频率的谐波电压与谐波电流要生产同次谐波的有功 功率与无功功率，从而降低电网电压，白白浪费了电网的容量。 2 危害电力设备，这包括对电力变压器的危害、对电力电缆的危害和电力 电容器的危害。 谐波使变压器的铜耗增大，这其中包含电阻损耗、导体的涡流损耗和导 体外部因漏磁通而引起的杂散损耗都要增加。谐波还可以让变压器的铁耗增 大，这突出体现在铁心中的磁滞损耗增加，谐波造成电压波形畸变越大，则磁 滞损耗越大。由于上面两方面的损耗增加还会减少变压器的标称可使用容量。 除此之外，谐波还会致使变压器的噪声增大，甚至发出金属般声音。 由于谐波次数的高频率上升，再加上电缆导体截面积越大趋肤效应越厉 害，从而致使导体的交流电阻加大，使得电缆容许通过的电流降低。另外电线 8 1 绪论 的电阻、线路的感抗与系统的串联提高功率因数用的电容器及线路的容抗与系 统并联，会造成电感与电容发生谐振的可能性。 当电网存在谐波时，切入电容的电压会变大，通过电容器的电流也会变 大，这让电容的损耗功率增大。虽然对于全膜电容器和膜纸复合介质电容器，允 许有谐波时的损耗功率为无谐波时损耗功率的1 4 3 倍和3 1 8 倍，但如果谐波 含量超出电容允许的数值后，就会让电容器过电流和过负荷，让它发热厉害， 在这种情况下( 电场、高温) 的作用下绝缘介质会加速老化，尤其是电容器切入在 电压已经畸变的电线中时还可能使电缆的谐波加剧，造成谐波扩大现象。另外 谐波的存在往往使电压出现尖波形引发局部放电，且由于电压变化率大，局部 放电强度大，进一步加速了绝缘介质的老化，从而缩短电容器的使用寿命。一 般来说，电压每升高1 0 ，电容的使用时间就要缩短1 2 左右。谐波严重的情况 下还会使得电容器外壳鼓胀、击穿甚至爆炸。 3 对电动机、低压开关和弱电系统设备等电力设备的干扰及其危害。 谐波会加大异步电的附加损耗，降低效率，严重时烧毁电动机。例如负序 谐波在电动机中产生负序旋转磁场，其转矩与电动机旋转方向相反而产生制 动效果，所以减少电动机的输出功率。此外，当电动机中的谐波电流的频率接 近某个零件的固有频率时还会引起电动机机械振动，产生刺耳的噪声。 对于全电磁型的断路器，因谐波电流的影响会增大铁耗产生热量，同时由 于电磁铁的影响和涡流的影响而使其脱扣不易，此状况会随着谐波次数增高 而进一步的加大；热磁型的断路器会因导体的集肤效应以及铁耗的增加而引发 发热，使得额定电流和脱扣电流降低，电子型的断路器额定电流的降低更严重。 由分析可知，以上三种配电断路器都可能因谐波产生误动作。 对于电磁接角器和热继电器来说，谐波电流使磁体部件升温增大，线圈温 度的升高又会让额定电流降低，额定电流的降低会造成它们在工作中产生误动 作的可能性。 电力系统中的谐波通过电磁感应、静电感应与传导方式耦合到计算机网 络、通信、有线电视、报警与楼宇自动化等设备，从而产生干扰。其中电磁感 应与静电感应的耦合强度与干扰频率成正比，传导则通过公共接地耦合会因大 量不平衡电流流人接地极，从而对弱电系统形成干扰。 4 影响电力参数测量的准确性 现在使用的电力参数测量仪表有电子式和感应式两种，它们都会受谐波的 9 1 绪论 影响。尤其是电子式电能表，当谐波较大时将会造成数据不准确，这对供电部 门来说将会蒙受巨大的损失。 5 谐波对人体的影响 从人体生理学角度来看，人体细胞在受到刺激兴奋时，其频率如果与谐波 频率相近，电网谐波的电磁辐射就会直接影响人的大脑与心脏；还有三致作用 ( 致癌、致畸变、致突变作用) 。 本课题所作的研究，其意义大致可概括为如下3 点： 1 、保证电能质量，提高电网的运行安全度。 2 、减少不必要的电能损耗，从而提高经济效益。 3 、设计出实用的单相双级p f c 开关稳压电源，给社会创造一定的价值。 1 5 2 本课题的主要工作 针对本课题作者根据设计指标要求设计、制作并调试了一台单相双级有源 功率因数校正的开关稳压电源，所做的主要工作可以概括如下： ( 1 ) 首先介绍和分析了产生谐波的原因，接着说明了谐波的危害，最后提 出了功率因数校正的必要性和p f 的概念及其计算公式。 ( 2 ) 分析了功率因数校正的一般方法和发展概况，结合实际情况和双级功 率因数的优势选定了课题( 单相双级p f c 开关稳压电源的研究) 。 ( 3 ) 通过查阅国内外大量的资料，对比各自的特点，最终选定了b o o s t a p f c + 双管正极变换器的电路拓扑结构。 ( 4 ) 结合设计方案研制了一台输出功率为1 0 0 w 的单相双级p f c 开关稳 压电源。 ( 5 ) 调试并测量了电源的主要波形并分析了电源的技术参数和整个的效 果。 ( 6 ) 对研制的电源的控制电路做了传递函数的推导，并给出稳定性分析。 ( 7 ) 对研制的电源进行了电磁兼容考虑和设计，并给出结论。 1 0 2 没计方案及其控制芯片 2 设计方案及其控制芯片 2 1 总体方案设计及其技术指标 双级单相a p f c 开关稳压电源的结构示意图如图2 1 所示，因为其有着明 显的优势，比如输入电流畸变比单级结构的小，总谐波畸变率一般小于5 ，功 率因数大于0 9 9 ：电路系统动态响应快，输出电压可以实现快速调节，稳压精 度高；调压范围大，功率应用场合广；各级可单独分析、设计和控制，通用 性较好等。所以结合实际需要，本设计拟采用双级结构；又因为用b o o s t 拓扑 设计a p f c 级电路比较成熟，而且应用广泛，还可以让功率因数达到l ，故本 设计电路a p f c 级将采用b o o s t 拓扑，后级d c d c 变换采用流行的双管j 下激拓 扑结构。 v i 图2 1 传统双级p f c 开关稳压电源结构示意图 输入电压：单相a c 8 5 2 6 5 v ，5 0 h z 输入功率因数：o 9 9 5 输出电压：d c l 2 v 输出电流：1 0 a 转换效率( p f c 9 5 ，d c d c 8 5 ) ：8 0 纹波：5 0 m v 输出功率：1 0 0 w 1 2 2 设计方案及其控制芯片 2 2 电源控制电路芯片的选取及介绍 2 2 1 控制芯片的选择 为了让开关电源的体积更小，提高它单位体积上的功率，将p w m 控制器 和p f c 控制器制作在同一芯片上，已经成为一个必然的趋势。u c c 3 8 5 0 0 就是 一款基于电流和电压的双环控制策略，由平均电流模式p f c 控制器和峰值电流 模式p w m 控制器两部分组成的理想芯片之一。本课题所采用的控制芯片就是 这款片子。本文详细给出了这款片子的特性以及如何使用它来设计和控制开关 电源的，且介绍了电流内环和电压外环补偿网络是如何设汁的。用这种芯片构 成的双级p f c 开关电源的结构示意图如图2 2 所示。 v i 图2 2p f c p w m 控制器控制双级p f c 开关电源结构示意图 2 2 2 有源功率因数校正控制芯片u c c 3 8 5 0 0 简介 目前国内很多用u c 3 8 5 4 系列、u c 3 8 5 5 系列等进行有源功率因数校正的控 制芯片，先做预稳压，升压到3 8 0 v 左右再做d c d c 变换。也就是人们常说的前 级、后级。由于电路复杂，前级与后级很容易相互干扰。将p f c 级和d c d c 转换器芯片合二为一，一直是大家的梦想，u c c 3 8 5 0 0 正是这样一种功能强大 的芯片。其特点是：外围元件少，控制简单、输入功率因数可达0 9 9 。d c d c 功率转换器部分用双正激电路，它不像半桥、全桥转换器等双端电路，变压器 不易饱和，并且驱动简单，开关管可使用m o s f e t 1 5 儿1 6 】。 u c c 3 8 5 0 0 控制集成电路能提供一路p f c 驱动和一路同频率的d c d c p w m 驱动，内部的逻辑电路将p f c 与d c d cp w m 紧密地联系在一起，节省 了大量的外围保护电路。它具有标准的直插式和贴片封装结构。由于电压环和 1 3 2 设计方案及其控制芯片 电流环这两个反馈系统在该款片子上均可实现，所以无论用其设计的开关电源 的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都会有不错的表现，所以我们说它 是比较理想的新型p f c p w m 控制器。 u c c 3 8 5 0 含有一个平均电流控制模式连续升压p f c 前端电路和一个后随 同步化的p w m 电路。p w m 电路既可配置成电流模式，也可配置成电压前馈 模式来使用。p f c 级与p w m 级分别采用前沿和后沿控制方式，这样做可以减 少两级之间的e m i ，减小p f c 级输出电容容量和输出电压纹波；同时可以减 少外围元器件的数量。其内部的结构如图2 3 所示。 v 翻r 培e n s e 2搬 m o o ti 爨冲i s e c , a o o tr tc q 图2 3u c c 3 8 5 0 0 控制芯片内部结构框图 传统p 1 l m 采用后沿或前沿调制方案。在后沿调制控制方案中，在系统时钟 的下降沿后开关恰好接通。而后误差放大器( e a ) 输出电压u e a o 与调制斜坡电 压相比较。每当锯齿波电压与误差放大器输出电压相交时，开关管截止。后沿 调制的有效占空比因数在开关导通期间被确定。图2 4 ( a ) 所示为后沿调制控制 电路及相关电压波形。在前沿调制情况中，开关在系统时钟的前沿之后恰好接 通。每当锯齿波电压与误差放大器输出电压相交时，开关管导通。前沿调制控 制电路及其相关电压波形如图2 4 ( b ) 所示。 1 4 2设计方案及其控制芯片 沁! 。| |， ? i z ( n ) ( b ) 图2 4 后沿调制和前沿调制电压波形示意图 此片子有2 0 只引脚，制作工艺采用了流行的b i c o m s ，各引脚的具体功能 就不一一介绍了，可以很容易的找到这方面的资料，下面将给出该片子的引脚 排列图2 5 ( a ) 和用此款芯片设计的开关稳压电源的原理图2 5 0 ) 。 v a o u t r t v s e n s e o v p en b l c t g n d v e r r l s e n s e 2 v c c g 了2 ( t o pv i e w ) 1 5 v r e f v f f l a c m o u t l s e n s e l c a o u t p k l m r s s 2 g t l p w r g n d 2 设计方案及其控制芯片 图2 5 芯片管脚图及其单相双级p f c 开关稳压电源原理图 3 有源功率冈数校正电路设计 3 有源功率因数校正电路设计 3 1 功率因数校正的控制策略 加装了p f c 装置的电路，要对两个变量进行处理，即输出电压是一个近似 恒定的直流电压和与交流输入电压同频同相的输入电流( 呈现纯阻性) ，并且针 对不同拓扑结构的变换器需要使用不同的控制策略。 根据电感电流是否连续，有源功率因数可分为电感电流连续模式和电感电 流断续模式，常用于连续模式的有峰值电流控制、平均电流控制和滞坏电流控 制；而断续模式有电压跟踪控制。我们将一一介绍这几种策略的优势和不足， 以及时需要注意的环节【i 川。 ( 1 ) 峰值电流控制，为实现输入电流i i 与输入电压u i 同相位且为正弦波 形，此法是通过控制电感电流i l 的峰值包络线来实现的。此法有变频和定频两 种不同的控制方式。典型的电流波形如图3 1 所示。图中的锯齿是电感每个开 关周期的电流峰值，上面的光滑线是其包络。此法制存在很多不足，比如：1 、 电流峰值和平均值之间因误差存在，无法在对t h d 要求苛刻的地方使用；2 、 噪声会对电流峰值造成影响；3 、d 大于5 0 时系统形成s h g ( s e c o n d a r y h a r m o n i cg e n e r a t i o n ) ；4 、从波形图可看出，当交流电网电压从零上升到峰值 电压时，占空比也由最大值变成最小值，因此有可能产生次谐波振荡。为克服 这一缺点，必须在比较器的输入端增加一个r a m pc o m p e s a t i o n ( 斜率补偿) ，以 便在占空比广泛变化内，电路能稳定工作。 图3 1峰值电流控制的输入电流波形 1 7 3 有源功率冈数校正电路设计 ( 2 ) 平均电流控制，此法是当前a p f c 中使用很广的一种调制方案。它的 实现机理是通过调制，让输入电流的平均值与输入电压同相位且为正弦波形来 实现p f c 的。一般在采用了此法的a p f c 电路中，采用了双环控制策略，其中 输入电流更接近正弦波，电压控制环使输出电压保持稳定。比如当i l 增大时， p w m 比较器的输出d 下降，从而降低i l ；反之则增大i l 。当u o 下降时，电压 误差比较器的输出将变大，导致乘法器输出的基准电流变大，使i l 增大，从而 使u o 上升；反之i l 减小，使u o 下降。这种控制法中的电流环有很高的增益带 宽，这会让跟踪误差产生很小的畸变，实现接近于“1 的功率因数变成可能。 此法不容易被噪声干扰、具有高稳定性，所以变成了流行的控制方法。它的电 流波形如图3 2 所示。 咋篇门门f 1f 1 f 1 几几几厂1 图3 2 平均电流控制的输入电流波形 ( 3 ) 磁滞电流控制，这种控制开始用在控制电压型逆变器的输出交流电 流，在这种方法中，电感电流的峰值和最小值都在理想的参考电流附近跟踪， 可确定最大和最小电流的偏差。这样会再次导致可变的周期，半正弦波期间的 频率会变化。可以用补偿来减小频率的变化范围。此时通过电感的电流也被看 成是一个控制变量，电感取得小信号传递功能，且在电流型控制系统中，控制 环本身是稳定的。可以说此种方法在b o o s t 电路中是最简单的而且电流频带较 宽。其电流波形如图3 3 所示。图中实线为电感电流i l ，在两条虚线( i m 弧上 限和i l i l i n 下限) 之间变化。中间虚线代表电流平均值。当i l 达到i 瑚x 时，开关管 断开，电流下降；当i l 达到i l i l i n 时，开关管导通，电流上升。电流纹波大小是 由滞环的宽度决定，可以是定值，也可以和瞬时电流平均值成比例。 此法的特点可概括为：l 、方便控制、电流动态响应快、其内部就有限流 l r 3 有源功率冈数校正电路设计 功能；2 、固定的丌关周期，会产生电磁干扰以及电流过零点的死区问题；3 、 滞环宽度会影响开关周期和系统性能，选取需谨慎；4 、不同的负载会造成开关 的周期的不同，考虑到滤波器只能按最小频率设计，因此不可能在重量和体积 方面得到最优设计。 嚣m 几r l 几几。几门n 图3 3 滞环电流控制的输入电流波形 ( 4 ) 电压跟踪控制，此法可能是a p f c 中最直接的方法了，应用较为广泛。 它不需要检测输入电压和电流，开关管就可以按照一定的占空比使输入电流按 正弦规律变化。通过选取电感值较小的输入电感，即可控制电感电流在每一个 开关周期都能降到零，实现d c m 。此法的输入电流会自动跟踪电压并且电流畸 变也较小；功率管可实现零电流开通( z c s ) ，且不承受二极管的反向恢复电流， 同时不需要连续导通模式那样复杂的控制回路，实用通常的p w m 控制器就可 实现。由于不连续导通模式的控制电路简单，成本低，因此非常适合在数百瓦 的小功率领域应用；应用于数千瓦的大功率电力电子装置时，输入e m i 和半导 体器件的电流应力较大。一般说来，此方式的电路方便控制，现有的开关电源 p w m 控制用集成电路就可作为电压跟随器型p f c 电路的控制器。而且工作在 不连续导电模式下的变换器，可避免因输入二极管反向恢复电流而带来的问题 ( b o o s tc o n v e r t e r ) 。电压跟踪控制p f c 技术的主要缺点是在开关管，二极管，电 容上有以开关周期变化的达尖峰电流和电感器上有以开关周期变化的大的输入 纹波电流，所以要在其前面用一个小容量电容滤除高频纹波。实际上，一个l c 低通滤波器会获得更为理想的滤波效果，但是这在一定程度上增加了电路的复 杂性，而且峰值电流远大于平均电流，功率器件承受的电流应力大。此法的电 流波形在图3 4 示出。 1 9 3 有源功率冈数校正电路设计 图3 4电压跟踪控制的输入电流波形 我们需要注意的是，不管什么控制策略仅能控制开关管的开关时间。虽然 如此，不同的定时方法可以引进完全不同的传递函数，这在闭环电流控制电路 中又需要不同的控制功能。 3 2 有源功率因数校正电路的设计 功率因数校正级电感l b 懈。设计： 在本