2009-07-12 2008年湖北TI杯E题-高功率因数电源(E).ppt

2019 12 28 1 2008年TI杯湖北省电子设计竞赛高功率因数电源 E 高学军三峡大学 2019 12 28 2 出题意图分析高功率因数电源方案分析控制方案TIPFC控制芯片2008年题目分析 参数计算电压设定测试时发现部分问题其它有关电力电子的竞赛题目 2019 12 28 3 1 出题意图分析 电力电子题目TI芯片控制CPU MSP430运算放大器A D转换电力电子器件驱动芯片 UCC27200 UCC27201 专用芯片 PFC芯片ucc28019 2019 12 28 4 单相正弦波变频电源 电力电子器件驱动芯片 UCC27200 UCC27201 2019 12 28 5 PFC芯片ucc28019 高功率因数电源 2019 12 28 6 2 高功率因数电源方案分析 传统AC DC电路 1 输入交流电流波形严重畸变存在大量的非正弦电流 谐波电流功率因数下降 1 开关电源的原理与设计 修订版 张占松蔡宣三编著 2019 12 28 7 功率因数校正 2019 12 28 8 功率因数校正器PowerFactorCorrection PFC 的分类 无源PFC 也称被动式PFC 采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数 但无源PFC的功率因数不是很高 只能达到0 7 0 8 有源PFC 也称主动式PFC 由电感电容及电子元器件组成 体积小 可以达到很高的功率因数 但成本要高出无源PFC一些 2019 12 28 9 有源PFC电路 具有以下特点 输入电压可以从90V到270V 高于0 99的功率因数 低损耗 输出不随输入电压波动变化 因此可获得高度稳定的输出电压 有源PFC输出DC电压纹波很小 且呈100Hz 120Hz 工频2倍 的正弦波 因此采用有源PFC的电源不需要采用很大容量的滤波电容 2019 12 28 10 Boost有源功率校正器原理图 BoostBuck 2019 12 28 11 PFC的控制策略分类 电感电流是否连续电流断续模式 DCM 电流连续模式 CCM 介于两者之间的临界DCM BCM 有的电路还根据负载功率的大小 使得变换器在DCM和CCM之间转换 称为混连模式 MixedConduclionMode一一MCM 2019 12 28 12 直接电流控制检测整流器的输入电流作为反馈和被控量 具有系统动态响应快 限流容易 电流控制精度高等优点 直接电流控制有峰值电流控制 滞环电流控制 平均电流控制 预测电流控制 无差拍控制 单周控制 状态反馈控制 滑模变结构控制 模糊控制等方式 2019 12 28 13 峰值电流控制开关管在恒定的时钟周期导通 当输入电流上升到基准电流时 开关管关断 采样电流来自开关电流或电感电流 峰值电流控制的优点是实现容易缺点较多 电流峰值和平均值之间存在误差 无法满足THD很小的要求 电流峰值对噪声敏感 占空比 0 5时系统产生次谐波振荡 需要在比较器输入端加斜坡补偿器 2019 12 28 14 2019 12 28 15 2019 12 28 16 滞环电流控制开关导通时电感电流上升 上升到上限阈值时 开关管关断 电感电流下降 下降到下限阈值时 开关管导通 电感电流上升 滞环电流控制是一种简单的Bang hang控制 它将电流控制与PWM调制合为一体 结构简单 实现容易 且具有很强的鲁棒性和快速动态响应能力 其缺点是开关频率不固定 滤波器设计困难 2019 12 28 17 2019 12 28 18 2019 12 28 19 平均电流控制平均电流控制将电感电流信号与锯齿波信号相加 当两信号之和超过基准电流时 开关管关断 当其和小于基准电流时 开关管导通 取样电流来自实际输入电流而不是开关电流 由于电流环有较高的增益带宽 跟踪误差小 瞬态特性较好 THD 5 和EMI小 对噪声不敏感 开关频率固定 适用于大功率应用场合 是目前PFC中应用最多的一种控制方式 2019 12 28 20 2019 12 28 21 2019 12 28 22 预测电流控制通过对输入 输出电压和输入电流的采样 根据实际电流和参考电流的误差 选择优化的电压矢量 脉冲宽度 作用于下一个周期 使实际电流在一个周期内跟踪卜参考电流 实现稳态无误差 其优点是开关频率固定 动态性能良好 电流谐波小 器件开关应力小 数字化实现简单 其缺点是要求较高的采样频率和开关频率 在低的采样频率下 会产生周期性的电流误差 2019 12 28 23 单周控制 积分复位控制 单周控制是一种非线性控制 同时具有调制和控制的双重性 单周控制通过复位开关 积分器 触发电路 比较器达到跟踪指令信号的目的 这种方法的基本思想是通过控制开关占空比 在每个周期内强迫开关变量的平均值与控制参考量相等或成一定比例 从而在一个周期内自动消除稳态 瞬态误差 前一周期的误差不会带到下一周期 单周控制能优化系统响应 减小畸变和抑制电源干扰 具有反应快 开关频率恒定 鲁棒性强 易于实现 抗干扰 控制电路简单等优点 IR1150是一种新型的单周期 0ne cyclecontrol OCC PFC控制芯片 2019 12 28 24 无差拍控制无差拍控制的基本思想是将输出参数等间隔地划分为若干个取样周期 根据电路在每一取样周期的起始值 预测在关于取样周期对称的方波脉冲作用下某电路变量在取样周期末尾时的值 适当控制方波脉冲的极性与宽度 就能使输出波形与要求的参数波形重合 不断调整每一取样周期内方波脉冲的极性与宽度 就能获得波形失真小的输出 其优点在于数学推导严密 跟踪无过冲 动态性能好 易于计算机执行等 缺点是计算量大 且对系统参数依赖性较大 但是 随着数字信号处理单片机 DSP 应用的不断普及 这是一种很有前途的控制方法 基于空间电压矢量PWM的电流无差拍控制方法 开关频率恒定 调节性能良好 代表了目前国际上PFC技术的先进水平 2019 12 28 25 滑模变结构控制上世纪50年代在前苏联发展起来的滑模变结构控制 用于控制电力电子变换器有其天然的合理性 因为构成多种变换器的电子开关所产生的不连续性 使各类电力电子变换器正好被描述为变结构系统 而在变结构系统中滑模变结构控制的滑动模态具有不变性 即对系统的变化和外部干扰不敏感 具有很强的鲁棒性 这样 滑模变结构控制就能很容易地应用于整流器 逆变器及由开关变换器驱动等相关领域的应用研究 并获得良好的控制效果 应用滑模变结构控制方法 可以在输入电流的稳态特性和输出电压暂态特性之间进行协调 在使输入电流满足有关标准的前题下 尽可能地提高输出电压动态响应 2019 12 28 26 TIPFC控制芯片 2 2 zhct014c电源管理选择指南 Rev H 2019 12 28 27 2019 12 28 28 2019 12 28 29 UCC28060NaturalInterleaving TransitionTMUCC28070ContinuousConductionModeACMUCC28061NaturalInterleavingTransitionTMUCC280198 PinPFCControllerACMUC3852TransitionModePFCControllerTMUC3853 A8 PinPFCControllerACMUC3854PFCControllerACMUC3854A BImprovedPFCControllerACMUC3855A BHighPerformanceSoftSwitchingACMUCC38050 1TransitionModePFCControllerTMUCC3817A 8ABiCMOSPFCControllerACMUCC3819ATrackingBoostPFCControllerACMUCC38500 1 2 3PFC PWMComboControllerACMUCC28510 1 2 3AdvancedPFC PWMComboACMUCC28514 5 6 7AdvancedPFC PWMComboACMUCC28521 8AdvancedPWM PFCComboACM 2019 12 28 30 3 2008年题目分析参数计算 PFC芯片ucc28019电压等级设计制作 控制等谐波分析 计算等 高功率因数电源 2019 12 28 31 1 基本要求 1 当电压U2为 15 19 V 负载电流IO为 0 5 2 A时 要求输出电压UO稳定在36V 其误差的绝对值小于5 2 变压器副边电流I2的波形应为正弦波 失真度小于5 3 电路功率因数大于0 95 在变压器副边测量 4 输出电路具有过流保护功能 输出电流IO达2 5A时自动保护 2019 12 28 32 2 发挥部分 1 设计制作检测输出电压和输出电流的测量电路 其测量误差绝对值小于2 2 当U2电压为18V 负载电流为 0 5 2 A时 能对输出电压UO在 30 36 V范围内设定 其测量误差的绝对值小于2 3 设计制作功率因数测量电路 其测量误差的绝对值小于2 4 其他 2019 12 28 33 UCC28019 2019 12 28 34 UCC28019 SOIC 8 PDIP 8 1GND 芯片接地端2ICOMP 电流环路补偿3ISENSE 电感电流检测4VINS 交流输入电压检测 2019 12 28 35 UCC28019 SOIC 8 PDIP 8 8GATE 栅极驱动 可以驱动1或多个MOSFET 提供1 5 2 0A驱动电流 输出电压箝位于12 5V 7VCC 工作电源6VSENSE 输出电压检测5VCOMP 电压环路补偿 2019 12 28 36 4电压设定 电位器 手动数字电位器D A芯片PWM 2019 12 28 37 计算 2019 12 28 38 继电器控制 2019 12 28 39 数字电位器X9312W 10K 2019 12 28 40 数字电位器DS1267 1010K 2019 12 28 41 D A转换芯片 12位 n 空雷 2019 12 28 42 D A 2019 12 28 43 D A RFB1100K RFB215K Vsense 10K Vout D A输出 2019 12 28 44 PWM和D A原理相同区别在于调节占空比 滤波 2019 12 28 45 5 测试时发现部分问题 没有按照题目要求留测试点没有隔离变压器 直接调自藕变压器 危险 电流线太细 2 5A电流 负载问题 电炉 表笔滑动 5A100欧滑线变阻器 示波器接地 接两个地线端 X 没有做必须的 12V 5V电源自动恢复问题注意审题 测试条件 报告要求 2019 12 28 46 失真度 总谐波畸变因数 THD TotalHarmonicDistortion 功率因数 PF 2019 12 28 47 2005年全国 三相正弦波变频电源 G题 2006湖北省 功率因数监测与补偿实验系统2007年全国 开关稳压电源 E题 2008湖北省 高功率因数电源 E题 2006吉林省 单相正弦波变频电源 A 2008长春工业大学 可控脉冲电源 E 2008黑龙江 24V交流单相在线式不间断电源2008福建省 开关电源设计 B题 2008海南省 双路输出直流稳压电源 C题 6 其它有关电力电子的竞赛题目 2019 12 28 48 2005年全国 三相正弦波变频电源 G题 一 任务设计并制作一个三相正弦波变频电源 输出线电压有效值为36V 最大负载电流有效值为3A 负载为三相对称阻性负载 Y接法 2019 12 28 49 2005年全国 三相正弦波变频电源 G题 二 要求 基本要求 1 输出频率范围为20Hz 100Hz的三相对称交流电 各相电压有效值之差小于0 5V 2 输出电压波形应尽量接近正弦波 用示波器观察无明显失真 3 当输入电压为198V 242V 负载电流有效值为0 5 3A时 输出线电压有效值应保持在36V 误差的绝对值小于5 4 具有过流保护 输出电流有效值达3 6A时动作 负载缺相保护及负载不对称保护 三相电流中任意两相电流之差大于0 5A时动作 功能 保护时自动切断输入交流电源 2019 12 28 50 2 发挥部分 1 当输入电压为198V 242V 负载电流有效值为0 5 3A时 输出线电压有效值应保持在36V 误差的绝对值小于1 2 设计制作具有测量 显示该变频电源输出电压 电流 频率和功率的电路 测量误差的绝对值小于5 3 变频电源输出频率在50Hz以上时 输出相电压的失真度小于5 4 其他 2005年全国 三相正弦波变频电源 G题 2019 12 28 51 2006年湖北省 功率因数监测与补偿实验系统 一 任务 设计并制作一个功率因数监测与补偿实验系统 图中变压器的输入电压为220V 10V 输出电压为36V 功率大于100W 模拟负载由电阻 电感构成 其中电感值为100mH 电阻值在20 100 之间可调 变压器 2019 12 28 52 二 要求1 基本要求 1 监测单元的具体要求如下 a 测量并显示变压器副边电压 电流 误差的绝对值小于2 b 测量并显示电源频率 误差的绝对值小于0 5 c 测量并显示无补偿时实验系统的功率因数 有功功率和无功功率 误差的绝对值小于5 2 功率因数补偿单元能根据负载变化自动进行功率因数补偿 使功率因数大于0 85 2006年湖北省 功率因数监测与补偿实验系统 2019 12 28 53 2 发挥部分 1 补偿后功率因数大于0 95 2 测量有功功率 无功功率和功率因数的误差绝对值小于2 3 测量并显示补偿电容变化时电流的瞬态响应 要求采样频率大于3kHz 记录长度不小于0 3秒 4 补偿电容在投入时无明显冲击 5 其他 2006年湖北省 功率因数监测与补偿实验系统 2019 12 28 54 2007年全国 开关稳压电源 E题 一 任务设计并制作如图1所示的开关稳压电源 2019 12 28 55 二 要求 在电阻负载条件下 使电源满足下述要求 1 基本要求 1 输出电压UO可调范围 30V 36V 2 最大输出电流IOmax 2A 3 U2从15V变到21V时 电压调整率SU 2 IO 2A 4 IO从0变到2A时 负载调整率SI 5 U2 18V 5 输出噪声纹波电压峰 峰值UOPP 1V U2 18V UO 36V IO 2A 6 DC DC变换器的效率 70 U2 18V UO 36V IO 2A 7 具有过流保护功能 动作电流IO th 2 5 0 2A 2007年全国 开关稳压电源 E题 2019 12 28 56 2 发挥部分 1 进一步提高电压调整率 使SU 0 2 IO 2A 2 进一步提高负载调整率 使SI 0 5 U2 18V 3 进一步提高效率 使 85 U2 18V UO 36V IO 2A 4 排除过流故障后 电源能自动恢复为正常状态 5 能对输出电压进行键盘设定和步进调整 步进值1V 同时具有输出电压 电流的测量和数字显示功能 2007年全国 开关稳压电源 E题 2019 12 28 57 2008年湖北省 高功率因数电源 E题 一 任务设计并制作一台具有功率因数校正环节 PFC 的整流电源 要求输出直流电压UO为36V 最大负载电流为2A 负载为电阻性负载 2019 12 28 58 二 要求1 基本要求 1 当电压U2为 15 19 V 负载电流IO为 0 5 2 A时 要求输出电压UO稳定在36V 其误差的绝对值小于5 2 变压器副边电流I2的波形应为正弦波 失真度小于5 3 电路功率因数大于0 95 在变压器副边测量 4 输出电路具有过流保护功能 输出电流IO达2 5A时自动保护 2008年湖北省 高功率因数电源 E题 2019 12 28 59 2 发挥部分 1 设计制作检测输出电压和输出电流的测量电路 其测量误差绝对值小于2 2 当U2电压为18V 负载电流为 0 5 2 A时 能对输出电压UO在 30 36 V范围内设定 其测量误差的绝对值小于2 3 设计制作功率因数测量电路 其测量误差的绝对值小于2 2008年湖北省 高功率因数电源 E题 2019 12 28 60 2006年吉林省 单相正弦波变频电源 一 竞赛任务设计并制作一个单相正弦波变频电源 输出电压有效值为15 36V可调 最大负载电流有效值为1A 负载为电阻负载 变频电源框图如下图所示 单相 2019 12 28 61 二 全国大学生电子设计竞赛要求1 基本要求 1 输出频率范围为20Hz 100Hz 且输出电压有效值为15V 36V可调的单相交流电 2 输出电压波形应尽量接近正弦波 用示波器观察无明显失真 3 当输入电压为198V 242V 负载电流有效值为0 5 1A时 输出电压有效值应保持在15V 误差的绝对值小于5 4 具有过流保护 输出电流有效值达1 5A时动作 保护时自动切断输入交流电源 2006年吉林省 单相正弦波变频电源 2019 12 28 62 2 发挥部分 1 当输入电压为198V 242V 负载电流有效值为0 5 1A时 输出电压有效值应保持在15V 误差的绝对值小于2 2 设计制作具有测量 显示该变频电源输出电压 电流 频率和功率的电路 测量误差的绝对值小于5 三 全国大学生电子设计竞赛说明1 不能使用产生SPWM波形的专用芯片 2 必要时 可以在隔离变压器前使用自耦变压器调整输入电压 可用滑动变阻器或电阻箱模拟负载 3 输出功率可通过电流 电压的测量值计算 2006年吉林省 单相正弦波变频电源 2019 12 28 63 2008长春工业大学 可控脉冲电源 E 一 任务 设计并制作一台可控脉冲电源二 要求1 基本要求 1 缓启动0 3分钟可设定 斜坡启动 2 输入 220VAC 10 50Hz 输出矩形脉冲波形 输出 DC0 60V 0 2A 2019 12 28 64 波形如图所示其中 V1在0 60V V2在0 50V内可任意设定 高电平维持时间0 1 9S 低电平维持时间0 1 9S可任意设定 2008长春工业大学 可控脉冲电源 E 2019 12 28 65 3 电压精度 10 纹波电压 VP P 1 4 具有电压 电流显示功能 5 具有漏电 过载保护功能 6 可在0 20min内任意设定声光报警信号2 发挥部分 1 可以动态显示时间 电压 时间 电流曲线 2 可在恒压 恒流两种输出方式间切换 3 单 双极性据需要可任意切换 正 负向高 低脉冲个数可以任意单独组合调定 2008长春工业大学 可控脉冲电源 E 2019 12 28 66 2008黑龙江 24V交流单相不间断电源 一 任务设计并制作输出电压为24VAC在线式不间断电源 结构框图如图1所示 2019 12 28 67 二 要求 2 1基本要求 1 在交流供电U1 36VAC和直流供电U3 36VDC两种情况下 保证输出电压U2 24VAC 且保证其频率为50 1Hz 额定输出功率80W 2 切断交流电源后 在输出满载情况下工作时间不少于2分钟 3 交流供电时 电源达到以下要求 1 电压调整率 满载条件下 U1从29VAC增加至43VAC U2变化不超过5 2 负载调整率 U1 36VAC U2 24VAC 从空载到满载 U2变化不超过5 4 直流供电时 满载条件下 效率不低于65 5 具有输出短路保护功能 2008黑龙江 24V交流单相不间断电源 2019 12 28 68 2 2发挥部分 1 交流供电时 将电压调整率和电压调整率提高至2 条件同基本部分 2 直流供电时 在满载条件下 将效率提高至80 3 满载条件下 输出正弦波失真度不大于5 4 具有给蓄电池充电功能 充电电流不小于0 1A 充电电路对蓄电池不能过充 5 具有欠压保护功能 当蓄电池的放电电压 29V时整机自动保护停止工作 6 其他 2008黑龙江 24V交流单相不间断电源 2019 12 28 69 2008年福建省 开关电源设计 B题 一 设计任务设计并制作一个开关电源 其结构框图如图1所示 2019 12 28 70 二 设计要求1 基本要求 1 输入电压 输入变压器二次侧标称电压15Vac 输入电压范围 180 240