（电力电子与电力传动专业论文）270w机站开关电源的研制.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 a bs t r a c t c u r r e n t l y ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o n sh a v eb e c o m ea ni m p o r t a n tc o m p o n e n to f1 i r e a n dw o r k c o m m u n i c a t i o ne q u i p m e n tw h i c hp o w e ri sf r o mt h ef a ns t a t i o np o w e ri s u s u a l l ys c a t t e r e dl a y o u t t h ep e r f o r m a n c eo ft h ef a ns t a t i o np o w e ra f f e c t st h e p e r f o r m a n c eo fc o m m u n i c a t i o ns y s t e m s e f f i c i e n c y , r e l i a b i l i t ya n dc l e a na r e r e q u i r e m e n t so ft h ec o m m u n i c a t i o n ss y s t e ma n dt h ed e v e l o p m e n td i r e c t i o no ft h e f a ns t a t i o np o w e r a d e s i g np r o p o s a la b o u t2 7 0 wp o w e rs u p p l ym o d u l ew i t hc l e a na n di m p r o v i n g t h er e l i a b i l i t yf o rt h et a r g e ti sp u tf o r w a r di nt h ep a p e r t h ep a p e rs h o w st h a tp o w e r f a c t o rc o r r e c t i o n ( p f c ) ，t w ot r a n s i s t o rf o r w a r dc o n v e r t e ra n dm o d u l e sc u r r e n t s h a r i n gs o l u t i o n s ，t h em a i nr e s e a r c hw o r kc a r r i e do u ta sf o l l o w s ： t o r e d u c ep o l l u t i o no ft h ep o w e r ，t h ef o r m e ra c d cc o n v e r t e ru s ea c t i v e p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( a p f c ) t h ed e s i g no ft h ef o r m e rc i r c u i to fa p f cb a s e d o nt h ea v e r a g ec u r r e n tc o n t r 0 1m e t h o d ad e t a i l e d a n a l y s i so ft h ec i r c u i tt h e o r y , c i r c u i tc o m p o n e n t sp a r a m e t e r sa n de n e r g ys t o r a g ei n d u c t o ro fb o o s tc o n v e r t e ra r e a 1 1c a l c u l a t e d ，a n dm a k ei t sm o d e sa n ds i m u l a t i o n e x p e r i m e n ti si d e a lt oa c h i e v e t h ed e s i r e dr e s u l t s d c d cc i r c u i to ft h es i n g l em o d u l ea p p l y st w ot r a n s i s t o rf o r w a r dc o n v e r t e r t o p o l o g y ，w h i c ht h es w i t c hv o l t a g es t r e s si sl o w ，t h ea d v a n t a g e so fa n t i t h r o u g ho f t h eb r i d g e ，s oi th a sh i g hr e l i a b i l i t y t h ep a p e rp r e s e n t st h ed e s i g no fm a i nc i r c u i t a n dc o n t r o l s y s t e m o ft w ot r a n s i s t o rf o r w a r dc o n v e r t e r 。a n dc a r r i e so u tt h e s e l e c t i o no fm a g n e t i cc o m p o n e n t st h a tw e r em o r ei n d e p t hr e s e a r c h e d ，t h a ti st h e d e s i g no fah i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e ra n di n d u c t o r s u s i n gp e a kc u r r e n tm o d e p w mc o n t r o l l e ru c 28 4 5i nc o n t r o lc i r c u i t a n a l y z i n gt h ef u n c t i o no ff e e d b a c k c o m p e n s a t o rt oi n c r e a s e ，t h e n ，t h er e a s o n a b l eo fd e s i g ni sp r o v e db ys i m u l a t i o n m u l t i p l em o d u l e sc u r r e n ts h a r i n gc a nm a k eu s eo fn + 1s t r u c t u r e r e d u c i n g s y s t e mr e d u n d a n c ya n di m p r o v i n gi t sr e l i a b i l i t y t oi m p r o v es t a t i o np o w e rs y s t e m r e l i a b i l i t y , s o r e e c u r r e n t s h a r i n gm e t h o d sa b o u tt h ep o w e rm o d u l e sa r er e s e a r c h e d t h e n ，i ts e l e c t st h eu c 3 9 0 2b a s e do nt h em a x i m u mc u r r e n ts h a r i n gm e t h o d a n db u i l d si t st h ee x t e r n a lc i r c u i t b o t ho ft h es a m e2 7 0 w s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y c u r r e n ts h a r i n gi ss i m u l a t e di np s i m f i n a l l y , t h er e s u l t sp r o v et h ev a l i d i t yo ft h et h e o r e t i c a la n a l y s i sa n dt h ec i r c u i t b o a r di ss t i l lo nc o m m i s s i o n i n g k e yw o r d ss w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ；a c t i v ep o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ( a p f c ) ；t w o t r a n s i s t o rf o r w a r dc o n v e r t e r ；c u r r e n ts h a r i n g 西南交通大学 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，同意学校保留并 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 权西南交通大学可以将本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、缩印或扫描等复印手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密使用本授权书。 ( 请在以上方框内打“扩) 学位论文作者签名：训金品 签名砌吁 日期：a 。细，歹31 日期：夕1 ) f 6 ，9 ：；f 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 本文以2 7 0 w 模块机站开关电源为研究对象，提出了采用功率因数校正、 双管正激和模块均流的技术方案，达到优化中功率机站开关电源的目标，具体 设计如下： ( 1 ) 前级交直变换采有源功率因数校正( a p f c ) 。基于平均控制法，设计 了前级有源功率因数校正电路，详细分析了电路的原理，对电路的元件以及 b o o s t 变换器的储能电感等都进行了计算，并对其建模仿真。 ( 2 ) 模块直直变换选择双管正激变换器拓扑结构，论文对双管正激电路的 主电路和控制系统进行设计。对机站开关电源磁性元器件的选取进行了较深入 的研究，设计了的高频变压器和储能电感。 ( 3 ) 多电源模块均流可以采用n + i 结构，减小电源的冗余量，提高可靠 性。针对提高机站电源系统的可靠性，对所设计的电源模块进行了均流研究， 均流环节选用基于最大电流均流法的芯片u c 3 9 0 2 ，分析并搭建外围电路，然 后，对所设计的两个相同的2 7 0 w 机站开关电源进行均流仿真。 最后，制作了实验电路板，调试样机。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所 得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体 己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 文中作了明确说明。本人完全了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本 人承担。 学位论文作者签名：刻金溺 日期：2 。乃t 岁弓f 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1 选题背景 第1 章绪论 在当今科技飞速发展的形势下，各种各样的电源的市场需求愈来愈大，尤其 是分布式机站的出现，对机站开关电源的要求越来越高，而目前的机站开关电 源品种和性能还有许多不尽人意的地方，比如成本高，性能价格比不太理想等。 目前的绝大部分机站开关电源中，有部分交流电流在负载里循环而不传输电能 ( 称为谐波电流) 。谐波电流的存在造成视在功率大大高于有功功率，致使电源 系统中的功率因数过低，直接导致用电效率降低，从而浪费大量电能。欧美发 达国家对用电系统功率因数都有严格行业规定，且有多种相关标准。国内相应 技术明显落后于国外，近几年也出台了个别相关政策。我国有关部门规定，从 2 0 0 3 年开始，所有总功率高于7 5 w 开关电源，在进行c c c 认证时，必须加装功 率因数校正器( p f c ) 以有效降低电源的谐波电流，提高功率因数。新型直流电源 的大面积开发和性能改善已经势在必行，如果电源设计生产出符合标准甚至高 于国家标准的p f c ，其电源产品将更具较强的竞争力。 结构简单，性能稳定，价格低廉的机站开关电源受市场欢迎，但其开发并 非易事，在许多环节需要大量的研究和试验，比如采用单一电源向负载供电方 式下，后续电路的均流问题就需要很好的研究和反复的试验。机站开关电源要 求具有体积小、重量轻、效率高的优点，可以模块化设计，通常按n + 1 备份， 组成的系统可靠性高。 基于以上几个方面的原因，在市场需求的推动下，本文就2 7 0 w 机站开关电 源展开了相应的研究。 1 2 开关电源的发展现状 1 2 1 机站开关电源存在的问题 电源是将各种能源转换成为用电设备所需要电能的装置，是所有靠电能工 作的装置的动力源泉。直流开关电源是一种由占空比控制的开关电路构成的电 能变换装置，用于交流一直流( a c d c ) 或者直流直流( d c d c ) 电能变换， 通常称其为开关电源j 。 开关电源的核心为电力电子开关电路，根据负载对电源提出的输出稳压或 稳流特性的要求，利用反馈控制电路，采用占空比控制方法，对开关电路进行 控制。开关电源的这一技术特点使得它具有下面两个突出的优点： ( 1 ) 效率高采用占空比控制的开关电路，在理想情况下，只进行能量的变换 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 而没有损耗。虽然实际上，由于开关器件存在通态压降、断态漏电流、开关损 耗等非理想因素，存在些损耗，但总的效率还是能够达到8 5 一9 8 ，远远 高于其他的线性电源和相控电源。 ( 2 ) 体积小、重量轻开关电源一般采用较高频率，这样电路中的电感、电容 等滤波元件和变压器体积都大大减小。所以在同等功率下，开关电源的体积要 远远小于其他的线性电源和相控电源。 1 2 2 高频开关电源技术介绍 开关电源技术是电力电子技术的一个重要分支，主要研究a c d c 、d c d c 两种功率变换。对于传统的晶体管串联调整稳压电源晶体管为线性连续控制， 它具有稳定性能好、输出电压纹波小、使用可靠等优点，但同时由于工频变压 器的使用，存在体积大且笨重的缺点：其次晶体管工作在线性放大状态，需要通 过调整晶体管的导通电阻来保证输出电压的稳定，所以在集电极与发射极之间 存在较大的电压，导致晶体管功率损耗的增加，因此效率较低；再者，过高的 功率损耗将引起电源发热量增加，需要采用体积很大的散热器。这些缺点致使 晶体管串联调整稳压电源无法满足电子设备发展的要求，从而促进了效率高、 体积小、重量轻的开关电源迅速发展【2 】【3 1 。 开关稳压电源原理图如图卜1 所示，功率半导体管工作在开关状态，通过 控制开关的占空比来调整输出电压。当功率管饱和导通时，集电极和发射极两 端的压降接近零；当功率管截止时，集电极电流为零。因此功率管的损耗大大 降低；其次，功率管开关频率可达到几十到几百千赫兹，减小了对输出滤波电 容和电感的容量要求；再者，开关稳压电源直接对电网电压进行整流滤波调整， 不需要电源变压器，并且对电网电压的适应能力也有较大的提高。与晶体管串 联调整稳压电源相比较，开关稳压电源具有效率高、重量轻，体积小的明显优 点。 挛堕笙刽e 滤m 1 i 波 整流与功率 因数校正 辅助 电源 入 滤 波 d c d c 变换器 ( 功率级) 驱动器 控制电路 输出整流 滤波 保护动作电路卜一检测 图卜1 开关稳压电源原理图 1 2 3 几种典型开关电源特点的比较 开关电源常用拓扑： 一 直流输出 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 b u c k 变换器拓扑、b o o s t 变化器拓扑、b u c k b o o s t 变化器拓扑、c u k 变换 器拓扑、反激式变换器拓扑、正激式变换器拓扑、双管正激变换器拓扑、推挽 拓扑、半桥变换器拓扑和全桥变换器拓扑等。 单管正激式和反激式开关电源的高频变压器只工作在磁滞回线的第一象 限，只有单一方向的磁通，利用率不高；推挽式电路的按对称转换的原则工作， 两个开关管交替导通，磁芯双向磁化，但是每一时刻原边只有一个绕组有电流 流过，绕组的利用率和效率较低，如果副边绕组也带中心抽头，则绕组利用率 更低；半桥式变换器的开关管在开关时开关电压值减小为直流输入的一半，但 与推挽式变换器相比，输出相同的功率，开关管导通时的电流增加了一倍；全 桥式变换器的变压器与半桥式变换器一样都工作于一、三象限，磁芯双向磁化， 变压器的利用率较高，理论上开关管电压应力为输入电压，输出相同功率，开 关管流过的电流为半桥式变换器的一半，因而可以应用在较大功率的场合。但 是推挽式、半桥式、全桥式变换器均存在变压器磁通不平衡即直流偏磁问题， 这是由开关管的开关特性差异或驱动的不对称引起的，需要采用电流型控制策 略或在变压器初级串入一隔直电容加以抑制【4 】。 每种拓扑都有其自身的特点和适用场合。一些拓扑适用于离线式a c d c 变 换器。其中有些适合中小功率输出，有些适合大功率输出；有些适合高压输入， 有些适合低压输入的场合；有些在高压直流输出或者多组输出场合占有优势： 有些在相同输出功率下使用器件较少或是在器件数与可靠性之间有较好的折 中。较小的输入输出纹波和噪声也是选择拓扑经常考虑的因素。 一些拓扑更适用于d c d c 变换器。选择时还要看是大功率还是小功率， 高压输出还是低压输出，以及是否要求器件尽量少等。另外，有些拓扑自身有 缺陷，需要附加复杂且难以定量分析的电路才能工作。因此，要恰当选择拓扑， 熟悉各种不同拓扑的优缺点及适用范围是非常重要的。 1 2 4 d o d o 变换器的并联技术 d c d c 变换器的并联技术大致可分为两类电力电子器件的并联和多台变换 器的并联。电力电子器件的并联是指将两个开关器件并联起来作为一个器件使 用，这样可以相应减小流过每一个开关器件的电流。但这样作要对原有d c d c 变换器的结构进行调整，还可能存在环流的问题，因此使用的并不广泛。 目前使用较多的是多台变换器模块的并联，即模块化并联。顾名思义就是 将若干台d c d c 变换器的输出端并联起来，一起向负载供电，在输出电压不 变的情况下，负载电流由并联d c d c 变换器模块均分。这种并联方式不用对 原有的变换器的结构进行调整，可以充分利用已有的设备，比较容易实现，而 且易于分解和组合，使用灵活【1 9 】【2 0 】【2 1 1 。 采用模块化电源系统后相对于传统的电源系统具有以下的优势： ( 1 ) 减少每个开关器件上流过的电流，从而减小电流应力和热应力，提高系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 的寿命和输出电流容量。 ( 2 ) 可以将开关器件的开关频率最高提高到兆赫级，从而提高了模块的功率密 度，使电源系统的体积、重量下降。 ( 3 ) 实现n + n 冗余输出。所谓n + n 冗余输出是指：电源系统由n + n 台模块电 源并联输出，其中n 台用以提供负载电流，n 台为后备( 或冗余) 模块：当工 作的模块发生故障时，后备模块投入运行，保证了系统的正常使用。这样即 使工作的n 台模块中有1 1 台发生故障，电源系统仍能提供1o o 的负载电流。 这样显著提供了系统的可靠性。而且还可以实现热更换( h o tp l u g i n ) ，即在 系统不问断供电的情况下，更换失效的模块。 ( 4 ) 提高系统布置的灵活性，易于日常的维护。 ( 5 ) 实现低电压下的大电流输出。 1 3 机站开关电源存在的问题及研究重点 1 3 1 机站开关电源存在的问题 机站开关电源发展到今天，已经有了很多成功的应用，但机站开关电源技 术还没有达到尽善尽美的地步，就目前的发展状况而言，存在以下几个主要问 题【5 1 ： ( 1 ) 开关过程中的损耗限制了开关频率的进一步提高。 ( 2 ) 开关时产生的电磁噪声和输入电流中的谐波造成对环境的电磁污染。 ( 3 ) 控制的精度和快速性有待进一步提高。 ( 4 ) 结构复杂，设计和生产需要较高的技术支持，降低成本有一定难度。 ( 5 ) 冗余能力，提高电源系统的可靠性。 1 3 2 机站开关电源研究的重点 针对上面的问题，机站开关电源现在研究的重点是： ( 1 ) 开关技术，用以解决开关损耗和开关噪声问题。 ( 2 ) 功率因数校正技术，用以解决整流电路输入谐波问题。 ( 3 ) 电流模式控制技术，用以提高开关电源的控制性能。 ( 4 ) 仿真技术和集成制造技术，用以解决开关电源产品开发和生产中的问题。 ( 5 ) d c d c 变换器的并联技术，电源模块间的均流问题。 1 4 本课题研究的内容 机站开关电源核心是高频开关电源，随着高频开关电源的发展，即效率高、 体积小、重量轻的开关电源越来越成为研究电源的热点。其中重点技术有：功 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 率因数校正技术、缓冲吸收技术、磁性元件技术、并联交错技术和建模仿真技 术等等。本文重点研究适合中功率机站开关电源的技术和方法： 在常用的有源功率因数校正( a p f c ) 电路中，选择基于平均电流控制法 的彳纠n c 电路作为机站电源的前级电路。这样可以满足机站电源少污染，不影 响电网供电质量( 绿色) ，输入功率因数高的要求。为了提高机站电源的可靠性， 在开关电源常用的拓扑中，选择双管正激变换器拓扑为主电路。介绍其基本工 作原理，分析得出它具有开关电压应力低、抗桥臂直通的优点，因此其可靠性 高；设计一个开关频率为1 0 0 k h z ，输出功率为2 7 0 w 的机站单电源模块，并对 主电路和控制电路的元器件参数进行详细的计算。然后，研究机站开关电源模 块并联运行的均流方案，具体是：基于最大均流法对电源模块进行均流研究， 选用芯片u c 3 9 0 2 作为模块的均流控制核心，计算器件参数，搭建电路。 最后，对所设计的机站开关电源的每一级进行仿真分析和电路板的制作。 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 曼曼曼皇鼍曼曼曼曼曼曼! 曼! ! ! 曼曼曼曼曼i l l i i i l i ；i|i _ i i 皇曼曼曼鼍曼! 量曼鼍量 第2 章系统前级电路的设计 机站开关电源的前级是离线式开关电源，而离线式开关电源的输入端，a c 电源经全波整流后，一般接大电容器，以得到波形较为平直的直流电压。整流 器电容滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合。因此，虽然输入交流 电压是正弦的，但输入交流电流波形却严重畸变，呈脉冲状。如果大量应用整 流电路，电网产生严重畸变的非正弦电流，造成的严重后果是：谐波电流对电 网有危害作用，输入端功率因数下降。机站开关电源必须提高功率因数，减少 对电网的危害。 2 1 功率因数校正技术 直接接入电网的开关电源应用己经非常普遍，一般来说，其前置级a c d c 变换部分都采用二极管桥式整流加大容量电容滤波电路。工频或中频交流电经 整流桥转换为非稳的直流电，这种通用的整流方式仅当输入正弦电压的幅值高 于电解电容两端电压与整流器正向压降之和时，才从电网取电流，故电网侧输 入电流的导通时间相当短，系统的输入阻抗很小，等于电解电容的等效串联电 阻及整流桥的正向动态电阻，故网侧输入电流的瞬时值相当高( 约为输入电流有 效值的2 3 倍) ，呈现严重非正弦性特征，在电容充电期间形成脉冲电流，其 电流峰值高，谐波电流及波形失真大，造成了功率因数低，一般仅为 0 5 0 0 7 6 。由此可见，大量应用整流电路，要求电网供给严重畸变的非正弦 电流，造成的严重后果是：谐波电流危害电网，使输入端功率因数下降，脉冲状 的输入电流，含有大量的谐波，使谐波噪声水平提高，从而在电路的输入端必 须加滤波器以抑制噪声，大量的谐波电流分量倒流入电网，造成对电网的谐波 “污染”，结果在电流流过得线路产生电压降，反过来使电网电压发生畸变；还 会造成电路故障，使变电设备损坏。如果采用对电流波形进行校正，则输入功 率因素可以接近1 。 回顾p f c 技术的发展历程，人们最早采用电感和电容构成的无源网络进 行功率因数校正。该方法实现简单、成本低、可靠性高、e m i 小。但是存在许 多缺点，比如输入电流波形差，尺寸、重量大，难以得到高功率因数。进入7 0 年代以后，随着功率半导体器件的发展，开关变换技术突飞猛进。有源功率因 数校正( a p f c ) 的概念起源于19 8 0 年，有源功率因数校正是用一个变换器串 入整流滤波与d c d c 变换器之间，通过特殊的控制，一方面强迫输入电流跟 随输入电压，从而实现单位功率因数，另一方面反馈输出电压使之稳定，从而 使d c d c 变换器的输入实现预稳。这种方法控制复杂，但具有体积小，重量 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 轻，效率高，功率因数接近1 等优点。另外，后级的设计也易于优化，进一步提 高性能。 2 1 1 功率因数的定义 电工原理中线性电路的功率因数习惯用c o s 妒表示，矽为正弦电压与正弦电 流间的相位差。由于整流电路中二极管的非线性，尽管输入电压为正弦，电流 却为非正弦，因此线性电路的功率因数计算不再适用于a c d c 整流电路。这里 所讲的功率因数是指有效利用的功率百分比，用p f 表示。假设输入交流电压 为无畸变的正弦电压，即： 所：、f 2 v c o s c o t ( 2 1 ) 定义p f 为交流输入有功功率平均值与输入视在功率之比值，其表达式为： pp p f = 二= 一l 1 ( 2 - 2 ) s 式中p 为输入有功功率，由于谐波电流在一个周波中的平均功率为零，所 以输入有功功率也即输入基波有功功率只。s 为视在功率，y 、j 分别为输入电 压和输入电流的有效值。 设输入电流表达式为： f2 善2 厶c o s ( ，z c o t + 仇) 3 ) = 4 2 , c o s ( c o t + 仍) + 1 2c o s ( 2 c o t + q 0 2 ) + 厶c o s ( 3 c o t + 伤) + 则输入电流有效值为： i = 0 i j + i j + i ；+ + i ：+ ( 2 - 4 、) 式中、厶、厶分别为输入电流的基波分量和各次谐波分量。 将式( 2 - 4 ) 代入式( 2 1 ) 可得： 阡= 了v f jc o s 伊i = 粤c o s 仍= _ 了亏亍；二宇一c o s 仍 ( 2 5 ) i h 0 i ；+ i ；十i ；+ + i ：七h 定义y = 了亍i 手i 烁为畸变因数( d i s t o r t i o n f a c t o r ) , 它标志着 电流波形的正弦度，c o s ( o l 为相移因数( d i s p l a c e m e n tf a c t o r ) ，它表示基波电流 与电压之间的相移度。因此，功率因数p f 又可定义为畸变因数与相移因数之乘 积，即： p f = yc o s q o l ( 2 - 6 ) 由以上分析可知，c o s q 0 ，越小，表明无功功率越大，变换器功率利用率低， y 越小，表明谐波含量越高，电流畸变越严重。 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 2 1 2 功率因数与谐波的关系 为了研究整流变换器中输入功率因数与谐波之间的关系，定义总谐波畸变 一t h d 【6 】( t o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ) 为： 肋：五= 型丝壁：笠：1 0 0 ( 2 7 ) ll 式中，。为所有谐波电流分量的总有效值。 由( 2 - 4 ) 、( 2 - 7 ) 可得畸变因数和功率因数为： ，= ，= = = = = = ；= 竺= = = = = = = 一= _ = = = 三一 ( 2 - 8 ) 1 0 i ；+ i ；+ i j + + i ：+ 1 + t h d 2 p f ：y c o s 妒l = ；磐 ( 2 9 ) 1 + t h d 2 由( 2 9 ) 可知，当c o s 9 。一定时，磁d 越大，阡也就越低，因此，提高功 率因数，也就应该从减小输入电压与输入电流间的相位差仍和t e d 两方面入 手，抑制谐波分量，使输入电流跟踪输入电压，就可达到提高功率因数的目的。 2 1 3b o o s t 变换器原理 a p f c 电路设计时，从原理上说，任何一种d c d c 变换器拓扑，如b u c k ，b o o s t ， f l y b a c k 乃至c u k 变换器都可以用作p f c 的主电路。但是，由于b o o s t 变换器 的特殊优点，更广泛地应用于p f c 。下面先简单介绍一下其工作原理。b o o s t 变换器的原理图如图2 - 1 所示： + v o 图2 1b o o s t 变换器原理图 为了获得b o o s t 变换器的基本工作特性而又简化分析，假定以下理想条件 成立【13 】： ( 1 ) 开关管s 和二极管d 从导通变为阻断，或从阻断变为导通的过渡过程时间 均为零，且通态电压为零，断态漏电流为零； ( 2 ) 在一个开关周期中，输入电压保持不变，输出滤波电容电压即输出电 压有很小的纹波，在分析开关电路变换特性时，可认为吃保持不变，其值为 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 输出的直流电压平均值； ( 3 ) 电感和电容均为无损耗的理想储能元件； ( 4 ) 线路阻抗为零。 b o o s t 变换器电路在个周期内有两个工作状态。 图2 2 开关管导通时等效电路图 ( 1 ) 在开关管导通t 。时间内等效电路图如图2 - 2 所示。假设电感电流连续， 则t 。时间内，电感电流线性增加，则有下式： 卜等f o t 3 2 6 0 9 ：5 4 2 彳 (215)i 。n ( p k ) m a x2 歹- _ 2 i 厂2 ) 斗z a 、z 一 7 i n ( r m s 。) m i n 。 交流线形输入平均电流为： 。 ：2 1 i n ( p k ) m a x ：2 5 4 2 ：3 4 5 彳( 2 1 6 ) f , i t，【lrq 加( a g g ) m a x = - = _ = j 斗) 以 k 厶一 ， 高频输入电容计算： c i n k 1 二兀x ，l ，i n ( r r m s ) ，m 加a x 。：= = ：= - ( 2 - 1 7 ) k 为电感纹波因数，本次设计中取其为0 3 ；r 为最大高频电压纹波因数， 取值范围为0 0 3 一o 0 9 ，取中间值o 0 6 ，将数据代入上式： 计算得： c n 一 0 3 瓦而3 丽8 8 = 0 3 7 胪 ( 2 18 ) 由于开关电源占空比由输入峰值电压决定 吃( 麒) 曲= j ( 脚) m i n = 压8 5 = 1 2 0 v ( 2 19 ) 矧协鼍严= 等一o 7 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 鸽= 0 2 i i , , ( 胀) 一= 0 2 x 5 4 2 = 1 0 8 4 a 通过电感的最大电流： l l ( m a x ) = k ) 蛳+ 等一s 4 2 + 半一s 蛔彳 储能电感计算： ( 2 - 2 0 ) ( 2 - 2 1 ) ：v i n p k ) m i n x d ：! 詈q 兰q ：2 ；7 7 4 9 日(222)1 ，= 一= 一= v ，仃i 一 z 甜， 1 0 3x1 0 8 4 。 4 、输出电容器 影响输出电容器选择的因数有：开关频率纹波电流、二次谐波纹波电流、直 流输出电压、输出纹波电压和输出时间。流过输出电容器的总电流，是开关频 率纹波电流的均方根值( 有效值) 和线路的二次谐波，通常选择大电解电容作为 输出电容，其等效串联电阻( e s r ) 随频率变化而变化，在低频时一般很高。通常 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算出，只要计算出 由于高频纹波电流和低频纹波电路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 0 m s 一5 0 m s 。 在具有d c 4 0 0 v 输出的离线式电源中，其维持时间对电容值要求一般每瓦为 1 2t l f 。如不需要维持时间，电容就会小的多，比如说每瓦o 2 ，那么纹 波电流和纹波电压就是主要考虑因数。 维持时间是如下电参量的函数：存储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，它可以用支撑时间确定电容的公式 来表示： c o ：丽2 x p ox a t ：篙磐娑# ：3 8 5 f ，取4 7 0 肛 ( 2 2 3 ) 2 两2 _ 丽矿叫的h 瞅引u 卜 吲一 o o i 血1 式中，c o 是输出电容，e o 是负载功率，a t 是维持时间，z o 是输出电压， ( 血) 是维持负载工作的最小电压。 2 2 2 控制电路设计 控制电路采用t i 公司的a p f c 专用芯片u c c 3 8 l8 ，它可完成升压变换器校 正功率因数数所需的全部控制功能，使p f 达到0 9 9 以上。该控制器采用平均 电流型控制，控制精度很高，开关噪声较低。 l 、电流传感器 通常有两种电流传感器检测方法，即在变换器接地返回端串联一个检测电 阻器或用一个电流互感器。检测电阻是成本最低的方法，也是适用于低功率和 小电流的方法。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 保持电阻b 上的峰值电压，这里取o 6 v 。 根据前面计算的。f 跚蚴= 5 4 2 a ， 所以得：电流检测电阻b = 瓦羔= 苦= o 0 9 q ，实际取0 1 q( 2 _ 2 4 ) 1 加( 户r ) 聊 v 。 2 、峰值电流限制 电流限制值由基准电压除以电流检测电阻得到的分压来设置，分压公式如 下： 2 ：警 ( 2 2 5 ) r r e f 其中，r 胞，和2 是分压电阻，参考电压值为7 5 v ，是检测电阻匙 上的电压在限流点上的值。通过。的电流大约1m a ，尺胞。取为1o 豇q ，则： 的取值计算如下： ( d 即) = 。( 麒) 一x r s = 6 5 x o 1 = 0 6 5 v( 2 2 6 ) r 眦，：_ v r s ( o v p ) r p k l i ：竺箜掣o 9 后q ，实际去1 一尼q ( 227)u- z k 腿2 = = 7 一= ；i 一u y 庀s z ， 头闭、玄l 尼s 上l 么 |)13 3 、振荡器频率 坼可以用作改变振荡器的电流，根据资料一般取1oj j q - i0 0 七q ，本设计实 际取碍= 1 5 | q ，振荡器频率为2 0 0 k h z 。根据下式得g ： g ：一0 7 2 5 ：一q 至：2 4 肛 ( 2 2 8 ) 乙t = 一= _ = z f ，z ， kz k 。 1 5 x 1 0 “x 2 x 1 0 i 4 、电压误差放大器的补偿 为使电路稳定的工作，必须对电压控制环进行补偿，但因电压控制环路的 带宽比开关频率小，所以对电压控制环路的要求，实际上是为了保持输入失真 最小，而不是为了电路稳定。环路带宽必须足够低，以衰减输出电容上电网线 路频率的二次谐波，是输入电流的调制量最小。电压误差放大器还必须有足够 的相移，以便调制仍然与输入线路同相，使功率因数保持高值。 输出级的基本低频模型是一个驱动电容器的电流源。功率级和电流反馈环 组成电流源，这个电容器就是输出电容器。这形成一个积分器，它的增益特性 是随频率每增加1 0 倍而下降2 0 d b 。 ( 1 ) 输出纹波电压 输出纹波电压由下式给定，式中厶是二次谐波纹波的频率： p = _ ! 争丁= 2 5 4 v ( 2 2 9 ) a z j r 【0 70 ( 2 ) 放大器的输出纹波电压和增益 p r 必须减小到电压误差放大器输出所允许的纹波电压。这就要设置电压 误差放大器在二次谐波频率点上的增益值，公式如下： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 5 页 曼曼皇曼曼量鼍量曼曼皇曼曼曼舅曼曼曼皇曼鼍鼍i i i：ii ；i 二 皇曼曼寡曼曼曼曼鼍曼曼曼曼! 曼曼量曼皇曼曼曼皇曼曼曼曼舅! 皇曼皇曼量曼曼曼曼曼 锄= a v v a oxr i p p l e ：型：墅：o 0 2 4 2 5 4 ( 2 - 3 0 ) ( 3 ) 反馈网络的数值 求出设置电压误差放大器增益的元件值，勘是一个适当的任意值。 主要是考虑功率损耗、耐压，但流过的电流不能太小，r 玎= 1 0 0 0 尼q 。 ( 4 ) ( 5 ) 2 丽1 ( 2 31 ) 1 5 荔i 丽万丽蔽而而 = 0 0 6 6b t f ， 实际取0 1p f 。 设置直流输出分压电阻 ：掉：型掣：1 9 m q ，取1 9 后q 。 ( 2 3 2 ) 一4 0 0 7 5 求出极点频率 d ，2 ：2 i 一 d r o x r 玎c 0 ( 2 万) 2 厶= 3 0 0 4 x 4 0 0 x 1 0 0 0 x 1 0 3x 4 7 0 x l o 。6 o 1 x l o 巧4 2 2 = 1 0 0 5 h z = 丽百丽 1 = - = 一= 1 5 9 k q ，实际取1 6 0 k d 。 2 z x l 0 0 5 0 1 1 0 - 6 。 2 3a p f c 电路的仿真及实验波形 2 3 1 仿真波形 ( 2 3 3 ) 将上节所设计的a p f c 电路应用p s i m 软件搭建仿真模型，以前面的计算结 果作为电路元件参数选择的依据，a p f c 电路仿真的具体参数如下： 输入电压8 5 2 6 5 v a c ， 输出电压4 0 0 v d c 输出功率3 0 0 w 仿真波形如下：图2 - 7 所示为a p f c 电路的输出直流电压，图2 - 8 所示为 a p f c 电路的输入电压和电流。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 6 页 图2 7 输出电压波形 从上图看出，电路在时间o 1 j 左右时，输出电压稳定在4 0 0 v d c 左右，保证 输出电压的稳定。可以为后级电路的设计提供直流电源。 图2 - 8 输入电压和输入电流的波形 上图中，幅值小的波形( 放大10 倍后) 是输入电流波形，幅值大的是输入 电压波形，将输入电流和输入电压波形相位比较，可以看出它们的相位是一致 的。即电流波形能够跟随电压波形，提高了功率因数，达到了设计目的。 仿真结果表明：基于芯片u c c 38 18 控制的a p f c 电路达到了功率因数校正 的目的，同时为机站开关电源下一级d c d c 变换器的设计提供了稳定的输入电 压，所以，上节提出的方案是合理的，计算的参数是正确的。 2 3 2 实验相关波形 按照以上设计电路参数，制作并调试电路板，实验时，电路的具体要求如 下： 输入电压： 输入频率： 输出电压： 输出功率： 8 5 - 2 6 5 v a c 5 0 h z 4 0 0 v d c 3 0 0 w 至里圣塑查兰至圭堑耋耋耋堡篓圣量：至 t e k几 删k 洲 m2 5 0 m $c h 2 2 0 一m 1 01 5 ：4 2 i o h ： 图2 - 9b o os t 电感电流波形 图2 - 9 是a p f c 电路中b o o s * 电感电流波形，剥量时，由于实验条件限制， 为了方便测量，在电感支路串联小电阻，测量电阻上的电压波形，得到上图， 由图可得，电感电流工作在c c m 模式，频率为l o o h z 。测得p f = o9 8 符合设计 要求。 1 b k l飘) p 类型 圃 信# 咏 衄 圈 光 示o c h 21 0 m + 鼬m1 0 d m s c h ：，- 7 2 0 m v 2 0 一m 1 01 5 ：4 51 i j h z 图2 - 10a p f c 电路输出电压波形 图2 一1 0 是输入交流电压为1 0 5 v a c 时，a p f c 电路输出直流电压的波形，电 压值为4 0 0 v d c ，符合设计要求。 根据测得的实验波形图2 9 和圈2 一1 0 可得，系统前级电路的功率因数达到 了09 8 ，电流工作在c c m 模式，并且输出稳定的直流电压4 0 0 v ，为下一级d c d c 变换器的设计提供基础和保障。前级的设计达到了预期的要求。 圃一黔一蕊毒生汪晌 西南交通大学硕士研究生学位论文第18 页 曼曼皇曼蔓曼皇曼曼曼曼量曼皇曼皇! 皇皇曼曼曼曼曼曼鼍! 曼! 鼍曼詈曼曼鼍i 曼曼皇曼鼍曼! 曼量曼曼曼曼曼! 皇! 皇! 笪! 笪曼曼曼曼曼鼍曼鼍曼曼皇曼曼曼曼曼皇曼曼! ! 曼曼曼曼皇 2 4 本章小结 本章介绍了机站开关电源的前级电路的设计，即前级a p f c 电路的设计。 该电路的设计目的是为了提高机站开关电源系统的功率因数，同时输出稳定的 直流电压。设计中控制电路采用平均电流控制法，仔细计算出电路的相关参数， 应用p s i m 软件建模仿真，仿真得到功率因数接近l ，制作实验样机( 详见附录) ， 实验时，电路工作在c c m 模式下，功率因数达到0 9 8 ，同时输出稳定的直流 4 0 0 v d c 电压，为后级变换器提供稳定的直流电源。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 篁i _ - j - m ； m i i 皇寡皇曼曼曼! 舅曼皇曼曼曼皇 第3 章系统主电路拓扑的设计 d c d c 变换器有很多拓扑结构。设计个电源时，要根据系统要求选择一 种适合的拓扑。选择时还要看是大功率还是小功率，高压输出还是低压输出， 以