（检测技术与自动化装置专业论文）可编程大功率恒流源的研究.pdf

电源中的应用 摘要 在电源的实际应用中 如各类敏感型器件 各种测试领域中 都要求用恒流 源进行供电 目前国内小电流 小功率 高稳定度的恒流源技术已经趋于成熟 而智能化的大电流 大功率 高稳定度的恒流源进展较为缓慢 因此 如何把数 字技术和智能化技术用于制作大电流 大功率 高稳定度的恒流源成为电源领域 广受关注的热点 而具有数字技术智能化设计的恒流源产品也必将成为恒流源的 发展方向 本文正是基于这种思想 将单片机控制技术与丌关电源相结合 电路分为功 率电路和控制电路两部分 功率电路是强电电路 主要分为p f c 功率因数校正 电路 采用u c c 2 8 0 7 0p f c 控制芯片进行功率因数校正 移相全桥z v sp w m d c d c 采用u c 3 8 7 5 作为全桥控制芯片 为后级恒流电路提供稳压源 并能够 调整输出电压值 恒流电路部分 利用m o s f e t 的电压控制电流特性实现恒流 的目的 并根据设定值实时调整输出电流值 控制电路以s t c 5 4 1 0 a d 单片机作 为控制芯片 利用p w m 口给定全桥输出电压值和恒流输出电流值 并根据输出 电流调整全桥输出电压值 使恒流m o s f e t 上的压降达到最小 单片机通过a d 口对反馈电压 电流进行采样 并据此调整p w m 口的给定电压值 由于电源工作在高频开关状态 难以建立精确的数学模型 因此软件上采用 模糊自适应p i d 算法对输出电压 电流进行控制 以实现当负载变化时控制的 快速与精确 并将恒流m o s f e t 的功耗降到最小 文章最后给出了单片机的程序设计流程图 以及部分电路的仿真图形 关键字 恒流源 p f c z v sd c d c 模糊自适应p i d a b s t r a c t i nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o no fp o w e r s u c ha sv a r i o u st y p e so fs e n s i t i v ed e v i c e s a n dav a r i e t yo ft e s t i n ga r e a s r e q u i r ec o n s t a n t c u r r e n ts o u r c et os u p p l yp o w e r b u t d o m e s t i cs m a l lc u r r e n t l o w p o w e ra n dh i g h s t a b i l i t yc o n s t a n t c u r r e n ts o u r c eo f t e c h n o l o g yh a st e n d e dt om a t u r i t y w h i l eh i g hc u r r e n t h i g hp o w e ra n dh i g hs t a b i l i t y c o n s t a n t c u r r e n ts o u r c ed e v e l o p ss l o w l y t h e r e f o r e h o wt oa p p l y d i g i t a lt e c h n o l o g i e s a n di n t e l l i g e n tt e c h n o l o g i e si n t ot h ep r o d u c t i o no fh i g hc u r r e n t h i g hp o w e r h i g h s t a b i l i t yc o n s t a n t c u r r e n ts o u r c eh a sb e c o m et h ef o c u so fp o w e ra r e a s c o n s t a n tf l o w s o u r c ep r o d u c t sw i t hd i g i t a lt e c h n i q u ei n t e l l i g e n td e s i g nw i l lb e c o m ed e v e l o p i n g d i r e c to fc o n s t a n t c u r r e n ts o u r c e t h i sa r t i c l ei sb a s e do nt h i si d e aa n dc o m b i n e st h em c u c o n t r o lt e c h n o l o g yw i t ht h e s w i t c h i n gp o w e r c i r c u i ti sd i v i d e di n t ot w op a r t s p o w e rc i r c u i ta n dc o n t r o lc i r c u i t p o w e rc i r c u i ti sf o r c e f u le l e c t r i cp o w e r w h i c hm a i n l yi n c l u d e sp f c p o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n lc i r c u i t u s i n gu c c 2 8 0 7 0p f cc o n t r o l l e r c h i p f o r p o w e rf a c t o r c o r r e c t i o n p h a s es h i f t e df u l l b r i d g ec o n v e r t e rz v sp w md c d c u s i n gu c 3 8 7 5 a saf u l l b r i d g ec o n t r o lc h i p p r o v i d e st h ep o s t s t a g ec o n s t a n t c u r r e n tc i r c u i t sw i t h v o l t a g er e g u l a t o rs o u r c e a n di sa b l et o a d j u s t t h e o u t p u tv o l t a g ev a l u e c o n s t a n t c u r r e n tc i r c u i tp a r t 一 m o s f e tv o l t a g ec o n t r o l sc u r r e n t w i t ht h i sf e a t u r e c o n s t a n tf l o wc a nb ea c h i e v e d a n da d j u s to u t p u tc u r r e n tv a l u ei nt i m ea c c o r d i n gt o t h es e tv a l u e c o n t r o lc i r c u i tt a k e ss t c 5 4 10 a dm i c r o c o n t r o l l e ra st h ec o n t r o lc h i p f u l l b r i d g eo u t p u tv o l t a g ea n dc o n s t a n tc u r r e n to u t p u tc u r r e n ti sg i v e nb yp w m p o r t a n df u l l b r i d g eo u t p u tv o l t a g ev a l u ei sa d j u s t e da c c o r d i n gt oo u t p u tc u r r e n t s ot h a tt h e v o l t a g ed r o po nt h em o s f e tr e a c h e sam i n i m u m m i c r o c o n t r o l l e rs a m p l e st h e f e e d b a c kv o l t a g ea n dc u r r e n tt h r o u g ha d p o r ta n da d j u s tt h eg i v e nv o l t a g ev a l u eo f p w m p o r t s i n c ep o w e rw o r k si nt h eh i g hf r e q u e n c ys w i t c h i n gs t a t e i t i sh a r dt od e v e l o p p r a c t i c a lm a t h e m a t i c a lm o d e l s t h e r e f o r ef u z z ys e l f a d a p t i v ep i da l g o r i t h mi su s e di n s o f t w a r ef o ro u t p u tv o l t a g ea n dc u r r e n tc o n t r o l l i n g s oa st or e a l i z eh i g hc o n t r o ls p e e d a n da c c u r a c ya n dt h ec o n s t a n tc u r r e n tm o s f e tp o w e rc o n s u m p t i o ng e tt oa m i n i m i z e f i n a l l y t h ea r t i c l ed i s p l a y sp r o g r a m m i n gf l o w c h a r t so fm i c r o c o n t r o l l e ra n de m u l a t i o n g r a p h so fs o m ec i r c u i t k e y w o r d s c o n s t a n t c u r r e n t p f c z v sd c d c f u z z ys e l f a d a p t i v ep i d 3 1 输入滤波电路设计 1 1 3 2 功率凶数校证的基本原理 1 1 3 2 1 功率因数的定义 1 2 3 2 2 无功率因数校j 下的开关电源存在的问题 1 2 3 2 3 实现功率凶数校正的方法 1 3 3 3p f c 电路设计 16 3 3 1u c c 2 8 0 7 0 介绍 16 3 3 2u c c 2 8 0 7 0 工作原理 1 6 3 3 3u c c 2 8 0 7 0 电路及参数设计 2 l 3 4 移相z v sd c d c 电路设计 2 6 3 4 1 移桐控制电路原理 2 6 3 4 2 移相控制芯片u c 3 8 7 5 3 1 3 4 3u c 3 8 7 5 电路及参数设置 3 3 3 5 恒流电路的基本原理和恒流电路的设计 3 9 3 5 1 功率m o s f e t 介绍 3 9 3 5 2 恒流源基础电路分析 4 0 3 6 输出电流的稳定性分析 4 3 3 7 散热设计 4 4 第四章单片机及外嗣电路设计 4 5 4 1s t c 5 4 1 0 a d 介绍 4 5 4 2 单片老m i f f l 电路 4 5 4 2 1 液晶湿示电路 4 5 4 2 2r s 4 8 5 接口电路 4 6 4 2 3u c 3 8 7 5 电压给定电路 4 6 4 2 4 恒流m o s f e t 电压给定电路 4 7 4 2 5 按谜电路 4 7 4 2 6 电压 电流检测电路 4 8 4 2 7 保护电路 4 9 4 3 电源设计时的防干扰措施 5 0 第血章系统软件实现及仿真 5 3 5 1 软件控制算法 5 3 5 1 1 模糊自适应p i d 算法 5 3 5 1 2 软件数字滤波算法 5 5 5 2m o s f e t 功耗降低方法 5 6 5 3 软件流程图 5 7 5 4 电路仿真 6 1 5 4 1 全桥驱动电路仿真 6 l 5 4 2 恒流电路仿真 6 2 第六章结论与展望 6 5 参考文献 6 7 发表论文和参加科研情况说明 7 l 致 射 7 3 第一章绪论 1 1 恒流源的应用及发展 1 1 1 恒流源的定义 第一章绪论 恒流源是一种稳定电源 它输出的电流大小与外接负载无关 其电源内阻 为无穷大 而实际的恒流源是用电子电路实现的 内阻不可能无限大 故只有在 外部条件在一定的范围内变化时 才能保持输出电流基本不变 1 1 a 0 图1 1 理想恒流源的符号与输出特性 b u 理想恒流源的符号如图1 1 a 所示 其伏安特性如图1 1 b 所示 它 是一条平行于电压轴的直线 电流恒等于i s 其方程为 i l 1 一1 由图1 1 b 可见 不管输出电压怎样变化 输出电流始终为i s 还可以看 到 单由恒流源只能确定它的输出电流值而不可能知道它的输出电压 恒流源的 输出电压只能根据输出的电流值和外电路阻值来确定 现实中不存在理想的恒流 源 恒流源的设计者和制造者只能尽可能接近这种特性 1 1 2 恒流源的应用范围 恒流源作为稳定电源的一个分支 在近三四十年问发展迅速 恒流源的应用 范围包括传统的稳定电磁场 校正电流表等 以及新兴科技领域如激光 超导 现代通信和传感技术等 并展示出广阔的应用前景 天津i i 业人学硕十学位沦文 在实际应用中 很多场合要求用恒流源供电 例如在对电池进行充电时 蓄 电池两端的电压随着充电的进行逐渐升高 内阻增大 若用稳压源进行充电则充 电时问会较长 若采用恒流源充电 可以不必考虑充电过程中电池内阻增大的问 题 电流表的校验也都采用恒流源 将多个同型号待校验的电流表串联在恒流源 电路中 将恒流源的输出电流调节至被校验电流表的满刻度值 然后检查各电流 表指针是否指在满刻度值 若存在偏差 则进行调整 直到指针指向满刻度值为 止 恒流源也广泛应用于各类敏感型器件的供电 如光敏 湿敏 热敏 磁敏等 传感器 恒流源在测试领域中有非常广泛的应用 其他的如电阻器阻值的测量和分 级 电缆电阻的测量 线性扫描锯齿波的获得 有线通信远程供电 电泳 电解 电镀等电化学加工装置电源 以及在电子显微镜 电子束加工机 离子注入机等 电子光学设备中聚焦线圈的供电电源也都应用恒流源 再有 大容量的直流电动 机和某些电阻炉 如果改用恒流源启动 不但可以省去许多启动设备 而且提高 了启动质量1 2 j 1 1 3 恒流源的发展 归纳起来 恒流源的发展大致经历了三个阶段 这三个阶段分别是电真空器 件恒流源 晶体管恒流源和集成电路恒流源 第一阶段 电真空器件恒流源阶段 世界上最早的恒流源大约出现在2 0 世纪5 0 年代早期 当时采用的电真空器 件是镇流管 由于镇流管有稳定电流的功能 所以多用于交流电路 常被用来稳 定电子管的灯丝电流 电子管通常不能单独作为恒流源器件 但可以用它来构成 各种恒流电路 第二阶段 晶体管恒流源阶段 进入6 0 年代 随着半导体技术的发展 设计和制造出各种类型性能优越的 晶体管恒流源 并在实际中获得了广泛的应用 晶体管恒流源电路可封装在同一 外壳内 成为一个具有恒流功能的独立器件 用它可构成直接调整型恒流源 用 晶体管作调整元件的各种开环和闭环的恒流源 在许多电子电路中得到了应用 但晶体管恒流源的电流稳定度一般不会太高 且最大输出电流不会超过几安培 它适用于那些对稳定度要求不高的场合 第三阶段 集成电路恒流源阶段 到了7 0 年代 半导体集成技术的发展 使得恒流源的研制进入了一个新的 阶段 长期以柬采用分立元件组装的各种恒流源现在可以集成在一块很小的硅片 第 章绪论 上而仅需外接少量元件 集成电路恒流源不仅减小了体积和重量 简化了设计和 调试步骤 而且提高了稳定性和可靠性 在各种恒流源电路中 集成电路恒流源 的性能堪称最佳 3 1 1 2 恒流源的的主要性能指标 实际恒流源的输出电流i o 通常是输入电压u i 负载电阻r l 和温度t 的函 数 一般表示为 i o f u f r t 1 2 在温度不变时 负载电阻r l 决定输出电压u 即有u i o r l 因此输出电 流公式中的负载电阻r l 可以替换为输出电压u o 于是公式 1 2 可以改写成 i o f l u j u o t 1 3 当输入电压 输出电压和环境温度发生微小变化时 输出电流的变化量可表 示为 即鲁渊 岳似噜脚 ct 4 其中 i 输入电流的变化量 a u i 输入电压的变化量 a u o 输出电压的变化量 t 环境温度的变化量 而参 瓦0 i i o 嘉是表示恒流源性能优劣的主要参数 分别说明如下 l 1 2 1 稳流系数s i 定义 在负载和环境温度保持不变的条件下 输出电流的变化量与输入电压 变化量之比称为恒流源的稳流系数 并以s i 表示 恒流源的电压调整特性如图 1 2 所示 天津 j 业人学硕十学位论文 0 图1 2 恒流源的电压调整特性 在图1 2 中令r l r l s t t s 若输入电压在规定值u i 处发生一微小变化 u i 相应的输出电流变化 i o 其比值 驴 长 1 5 即为恒流源的稳流系数 恒流源的稳流系数是一个转移因子 单位是西门子 s 常用电压调整率来表示电源电压对输出电流的影响 它的定义是 负载和环 境温度为定值时 输出电流自身的相对变化量与输入电压的相对变化量之比值 记作s i u 即 5 o 耻 每 u j 1 6 通常以输入电压波动土l o 时 输出电流的相对变化量来表示电压调整率 显然s i u 是一个无量纲的参数 其值越小越好 1 2 2 输出电阻艮 定义 在输入电压和环境温度保持不变的条件下 输出电流的变化量和输出 电压的变化量之比的倒数称为恒流源的输出电阻 即等效内阻 并用艮表示 在图1 3 中 令u i u i s t t 使负载有一微小变化 对应的输出电压变化 u o 而输出电流的变化量为 i o 贝j j i t 值就是恒流源的输出电阻 图1 3 恒流源的负载调整特性 有时也用负载调整率来表示负载变化对输出电流的影响程度 它的定义是 电源电压和环境温度为定值时 输出电流自身的相对变化量与输出电压 即负载 电阻 的相对变化量之比值 记作s i l 即 a o 研1 惫 1 8 u 0 5 显然 s i l 也是一个无量纲的参数 其值越小 恒流源的特性越好 1 2 3 电流温度系数o l 定义 在输入电源电压和负载电阻保持不变的条件下 输出电流的变化量和 环境温度的变化量的比值称为恒流源的电流温度系数 并记以0 t l 表示 在图1 4 中 令u i u i s r l r u s 若环境温度在规定值t s 处有一微小变化 量 t 由它引起的输出电流变化量为 i o 贝 t jl l 值 天津l 业人学硕十学位论文 为 i o 图1 4 恒流源的温度特性 n q 2 萄 1 9 即为恒流源的电流温度系数 它的单位是a c 有时用平均温度每升高1 电流相对变化的百分数来定义恒流源的电流温度系数 即 铲去 等枷 m 铆2 石 i x 1 u u u 叫w 它的单位为 i o o 十分明显 0 i 越小时 恒流源的性能越好 根据稳流系数 输出电阻和电流温度系数的定义 现在可将式 1 4 改写 s 一i 1 砜 口 丁 1 l1 该式表明恒流源的变化量 i 和s i 和a i 三者间的关系 由此可见 只有 当s i a l 非常小而r o 又非常大时 才能获得优良的恒流性能 1 2 4 电流稳定度y i 除上述定义的三个参数外 在使用中 对恒流源质量最直接的评述标准应该 是输出电流自身的相对变化 当上述三个条件不变的情况下 叫电流稳定度 记作y i 即 z 坐 1 1 2 o 当然实际的恒流源的输出电流稳定度在使用时要受到上述三个条件的影响 第一章绪论 1 3 恒流源的发展趋势展望 近年来 虽然国外 国内电测领域对恒流源进行了大量的研究 但其发展较 为缓慢 新型 适用的作为标准器的恒流源设备尚未问世 以美国的f l u k e 公 司为代表生产的系列产品作为替代装置 虽然在一定时期和一定范围内对我国的 电学计量发展起了 定的作用 但经过数年的实践证明 这些标准器普遍存在量 限低 测量精度差 量限设置不符合我国量大面广的仪器种类 给使用带来了不 便 此外 随着科技工业的发展 在电力系统中使用的电气设备等的丌发研制和 大规模应用 以及农村电网改造的实施 为了检验开关保护装置 断路器 c i r c u i t b r e a k e r 分离器 d i s c o n n e c t o r 避雷器等 的性能 以及其他如高压开关试验 电流互感器校准试验 互感器变流比试验 电器产品载流能力等 对大功率的恒 流源的需求与同俱增i z j 进入2 1 世纪 计算机技术的蓬勃发展带动了智能化产品的开发研制 电子 电气产品的智能化设计 让非专业人士也能够在最短的时间内学会操作使用 倍 受消费者的欢迎 增大了市场的占有率 恒流源也必将经历智能化的发展历程 随着电能消费的不断增加和能量利用形态的高功能化 大电流技术是一个在电能 的产生 传输 变换 控制方面正在迅速崛起的领域 除了在大电力输电 利用 短路发电机的大电流试验及检测 电化学的直流大电流技术之外 还包括了核聚 变技术 强磁场产生技术 磁能存储 电磁力应用等多个尖端技术领域 目前制 作小电流 小功率 高稳定度的恒流源技术已经成熟 而大电流 大功率 高稳 定度的恒流源的研制尚处于探索阶段 2 因此 如何把数字技术和智能化技术用于制作大电流 大功率 高稳定度的 恒流源成为电源领域广受关注的热点 而具有数字技术智能化设计的恒流源产品 也必将成为恒流源的发展方向 1 4 选题意义 在我国 对于电源的研究从上世纪6 0 年代开始形成 进入9 0 年代随着电力 电子技术研究的深入 电源产业也驶入快车道 我国电力电子技术已经从以前的 消化吸收外国技术发展到跟踪外国先进技术 在有些领域甚至领先于国外技术 产生了一大批具有国际先进水平的的研究成果和产品 进入新世纪以来 在国家 自然科学基金的资助和创新意识指导下我国以电力电子技术为核心的电源产业 正在加快发展的步伐 但是与发达国家相比 还存在很大的筹距和不足 在电源 天津 业人学硕十学位论文 的质量 可靠性 开发投入 生产规模 工艺水平 智能化 网络化 持续 能力等方面有较大的差距 尤其在实现直流恒流源的智能化 网络化方面的 不是很多 总体来说 国内直流恒流源技术在实现智能化等方面相对落后 激烈的国际竞争 是个严峻的挑战 综上所述 本文选择可编程大功率恒流源作为课题 在电源的控制中引入单 作为控制器件 既可以控制电源与人机交互 还可以预留网络接口 以便于 组网 实现电源的网络化 控制远程化 根据总体设计要求 系统总体设计主要分为两大部分 功率电路部分 强电 和控制电路部分 弱电 功率电路包括p f c 移相全桥z v sp w md c d c 变换 和恒流电路部分 由于输出电流 功率较大 因此需要做功率因数校 f 以保证 电源对电网和电网对电源的污染较小 开关电源采用移相全桥z v sp w m d c d c 变换 实现稳压输出的目的 在稳压输出的基础上用功率m o s f e t 实现精确恒 流输出 控制部分主要由s t c 5 4 1 0 a d 单片机和u c 3 8 7 5 移相全桥控制芯片构成 实现整个功率电路部分的控制任务和人机交互 如图2 1 所示为系统总体设计框 图 2 2 2 系统工作原理 图2 1 系统总体设计框图 系统总体采用可调稳压源给恒流器件供电得到所需恒定电流的目的 2 2 0 v 交流市电输入首先经过e m i 滤波和整流等环节后送入u c c 2 8 0 7 0 芯片控制的 p f c 校正环节 实现功率因数校正 然后是全桥输出稳压源和恒流电路部分 稳 压源和恒流部分均采用双闭环结构 u c 3 8 7 5 和m o s f e t 驱动模块分别构成稳压 源和恒流控制部分的内环电路 以实现控制反应的快速 准确 单片机模块构成 稳压源和恒流控制部分的外环反馈控制电路 经过一定的算法与设定的输出进行 比较 根据需要调整u c 3 8 7 5 和恒流m o s f e t 的给定电压 以求输出的精确性 和使输出达到较高的运行效率 输入级e m i 浪涌抑制吸收电路与u c c 2 8 0 7 0 控制的有源p f c 电路 u c 3 8 7 5 控制的移相全桥d c d c 变换电路构成了新型低 污染 高效率 低应力 低输出纹波的开关电源 单片机模块除了负责u c 3 8 7 5 和m o s f e t 恒流器件的给定驱动电压以外还 负责键盘扫描 l c d 显示和r s 4 8 5 通信模块 键盘主要任务是负责电源的启停 和输出电流的设定 预留r s 4 8 5 总线 可以对电源进行组网和远程控制 通信 功能 l c d 选用金鹏公司o c m j l 2 8 6 4 图形点阵液品显示模块 它可以显示各种 字符及图形 具有8 位标准数据总线 6 条控制总线及电源线 采用的是k s 0 1 0 8 控制芯片 第二章主功率电路设计 第三章主功率电路设计 3 1 输入滤波电路设计 如图3 1 所示为电源的输入级电路的设计 由于电源输出功率要求较大 因 此采用双e m i 滤波器滤除共模干扰以及六个2 2 n f 的接大地电容滤除差模干扰 压敏电阻用来防止电网电压出现大幅波动以及受到雷击时出现的电压尖峰 图3 1 电源输入电路设计 出 晶闸管q 9 和电阻r i o 构成缓冲电路 晶闸管q 9 的控制端p 1 p 2 接全桥 控制变压器的一个小线圈输出直流电压 当电路刚启动时由于电路中有很多大电 容需要充电 因此接入一个1 0 0 k i w 的电阻 防止在启动瞬间因为电容充电引 起瞬间电流过大 当电路进入j 下常工作时 晶闸管导通 将电阻短路 进入j 下常 工作状态 3 2 功率因数校正的基本原理 自上世纪九十年代以后 电子技术迅速发展 电脑和各种通信设备日益普及 电网的谐波污染日益严重 设备的输入功率因数低等问题显得同益突出 这些设 备大部分使用直流电源供电 因此内部都有一个开关电源 或者线性电源 将交 流转换成直流给设备供电 在转换过程中 一些非线性元件的存在导致输入的电 流产生严重畸变 含有大量谐波 谐波不仅会大大降低输入电路的功率因数 并 且对电网造成严重的污染 甚至造成电路故障 因此使用有效的办法将电路的功 率因数提高己是当务之急 功率因数校正 p f c 是解决谐波污染最直接 有效 的手段 在高频开关电源 u p s 等各种电源产品的输入电路设计p f c 电路进行功 率因数校正 可以最大限度减少电源对电网的谐波污染 所谓功率因数校正就是 天津 i 业人学硕十学位论文 通过一定的控制方法 使电源的 输入电流显良踪输入电压的正弦波形 使功率因数 接近为l 3 2 1 功率因数的定义 功率因数p f p o w e rf a c t o r 是指交流输入的有功功率p 与视在功率s 的比 值 由于开关电源中含有很多非线性元件 使得输入的j 下弦交流电流发生一定程 度的畸变 输入的交流电流并不是严格的j 下弦波 而是含有大量的高次谐波 一 般认为只有基波才做有用功 其他的高次谐波都在做无用功 功率因数p f 定义 为 p f 昙 掣 i ic o s c o s 矽 3 1 su l ir ir 式中 u l 电网电压有效值 i r 电网电流有效值 i i 基波电流有效值 c o s q 基波电流与基波电压的位移因数 丫 基波因数 y i j i r 在线性电路中 输入电流跟随电压的j 下弦波形 不存在高次谐波 基波因数 y l 所以 p f y c o s 1 c o s c o s 3 2 当线性电路为纯电阻性负载时 p f y c o s 1 1 1 3 3 如果供电系统中含有高次谐波成分太大 会对用电设备和电网产生干扰 甚 至会造成用电设备如开关电源 u p s 等不能正常工作 也可能造成供电系统跳闸 高次谐波成分越少 则功率因数越高 因此只要设法抑制输入电流中的谐波分量 将输入电流波形校正为或无限接近正弦波 即可实现功率因数校正 4 3 2 2 无功率因数校正的开关电源存在的问题 在传统没有功率因数校正电路的开关整流器中 电路中电容的充放电使输入 电流畸变较为严重 电流中谐波分量很大 造成功率因数下降 如果开关电源的 功率因数较低 则会严重污染电网 干扰其它设备的正常工作 增大了i j 级设备 如变压器 传输电缆 发电机等 的功率容量 对于三相四线制输入 三相负 第二章主功率电路设计 载平衡时零线中的电流为零 若负载不平衡 会造成零线电流很大 从实际运行结果来看 开关电源的功率因数低所带来的危害是非常严重的 这是因为输入电流中含有大量的高次谐波 不但产生严重电磁干扰 还使变压器 产生较大的电磁应力 因此 在输出功率较大的丌关电源中 功率因数校正电路 的设计是至关重要的 3 2 3 实现功率因数校正的方法 功率因数校正 p f c 技术从不同的角度有不同的分类方法 从校正机理看 可分为无源功率因数校正 p p f c 和有源功率因数校正 a p f c 两种 从电网 供电方式可分为单相p f c 电路和三相p f c 电路 无源功率因数校正技术 p p f c 简单可行 但效果不是很理想 目前应用 较多的是有源功率因数校j 下技术 有源功率因数校正电路工作在高频 开关状态 因此体积小 重量轻 与无源功率因数校正电路相比效率较高 有源功率因数校 正技术是在整流器和负载之间接入一个d c d c 丌关变换器 基本原理如图3 2 所 示 整流器功率因数校正电路 i s 孓一 u l刀 一 l j 目 a c u l f 一 一 k d a d c 图3 2a p f c 的基本原理框图 r 负载 a p f c 电路就是一种开关电源 只不过它与传统的开关电源相比在d c d c 变换之前没有滤波电容 通过电压 电流反馈 控制丌关管的通断 使输入端电 流波形跟踪输入交流电压的正弦波形 使输入电流波形接近于正弦波 从而大大 提高电路的功率因数p f 使其接近1 而有源功率因数校正中 根据电感电流是否连续 a p f c 有两种工作模式 不连续导通模式d c m d i s c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e 和连续导通模式c c m c o n t i n u o u sc o n d u c t i o nm o d e 一般认为 采用电流连续导通方式有利于实 现输入e m i 滤波电路小型化 并可使电流应力减小 实现高效率 d c m 控制又称电压跟踪方法 v o l t a g ef o l l o w e r 它是p f c 电路中简单且实 天津 i 业人学硕士学位论文 用的一种控制方式 该变换器工作在不连续导电模式 由输出电压误差信号控制 开关管 开关周期为一常数 由于电感电流基本上与输入电压成j 下比 因此 输 入电流波形跟随输入电压波形变化 控制原理如图3 3 所示 图3 3d c m 控制原理图 d c m 控制方法的优点有 1 电路较为简单 不需要乘法器 2 功率管能 够实现零电流开通 z c s 3 输入电流能够保持较小的畸变率 但是d c m 控 制方法也有缺点 1 电感中电流的不连续 造成电流纹波较大 对滤波电路要 求较高 2 开关管的电流应力较大 输出功率相同时 d c m 开关器件的峰值电 流是c c m 的两倍 导致开关管的通态损耗增加 因此d c m 控制方式只适用于功 率较小的场合 在c c m 控制模式中 根据是否选取瞬念电感电流作为反馈量和被控制量 又可分为间接电流控制 i n d i r e c tc u r r e n tc o n t r 0 1 和直接电流控制 d i r e c tc u r r e n t c o n t r 0 1 两大类 直接电流控制的优点是电流瞬态特性好 自身具有过流保护能 力 但需要检测瞬念电流 控制电路复杂 间接电流控制的优点是结构简单 开 关机理清晰 1 直接电流控制 目前应用最多的控制方式就是直接电流控制模式 是由d c d c 变换器的电流 控制模式变换而来 将输出电压的误差信号与输入电压信号相乘后作为电流控制 器的电流给定信号 电流控制器控制输入电流跟随给定信号的变化 根据控制器 控制方式的不同 较典型的控制方式有平均电流控制 a c m c 滞环电流控制 h c c 峰值电流控制 p c m c 等 与其他控制方式相比 平均电流控制具 有电磁干扰 e m i 小 电流总谐波畸变 t h d 小 对噪声不敏感等优点 适 用于大功率场合 是目前功率囚数校正电路中应用最多的一种控制方式 平均电 流控制技术的b o o s tp f c 电路基本原理如图3 4 所示 从而控制交流输入电流呈正弦波 且与电源电压保持同相位 使装置有较高的功 率因数 图3 5 间接电流控制原理 通过对c c m 和d c m 工作模式的对比和分析可以看出 c c m 控制方式的优点 是输入和输出电流波动较小 滤波较为容易 开关有效电流小 器件导通损耗小 适用于功率较大的场合 对于输出功率小于几百瓦的电源 选择d c m 控制方式 较为合适 d c m 的最大好处是二极管不存在反向恢复 因此不需要缓冲电路 天津13 1 k 人学硕上学位论文 3 3p f c 电路设计 3 3 1u c c 2 8 0 7 0 介绍 本设计采用t i 公司生产的u c c 2 8 0 7 0p f c 芯片 为了适应大功率a c d c 电源的发展 t i 在2 0 0 7 年底新开发出两相c c m 的p f c 控制芯片u c c 2 8 0 7 0 有如下优点 1 具有固有的两相电流匹配平均电流c c m p f c 2 先进的电流合成检测法可得到更好的效果和功率因数值 3 更高线性度的乘法器输出具有内部量化电压前馈校正以获得更高的 功率因数值 4 可调工作频率到3 0 0 k 5 可调最大占空比钳制 6 可调频率抖动的频率及幅度 更好地衰减e m i 速率可以到3 0 k h z 幅度也可以达到3 0 k h z 7 外同步能力 8 增强的负载及线路的瞬态响应 更好地校j 下电压放大器 9 可调的峰值电流限制 1 0 偏置电源u v l o 过电压保护 开环检测及p e c 使能监视 1 1 加入外部p f c 禁止接口 1 2 v s e n s e v i n a c 端开路保护 1 3 可调的软启动功能 3 3 2u c c 2 8 0 7 0 工作原理 3 3 2 1u c c 2 8 0 7 0 基本框图 u c c 2 8 0 7 0 是一款先进的单芯片自然交互式p f c 控制芯片 它的内部集成了 两相脉宽调制器 两相相差1 8 0 的相位差 该自然交互式p w m 减少了输入与 输出的纹波电流 使e m i 滤波更容易 降低了成本 有效第改善乘法器设计提 供给两相独立电流放大器均流的参照 以确保两个p w m 输出在平均电流工作模 式下的匹配与工作的稳定性 形成较低畸变率的正弦输入电流 u c c 2 8 0 7 0 包含 多种保护电路 包括输出过压检测 峰值电流限制 冲击浪涌电流检测 欠电压 闩锁及反馈开环保护 u c c 2 8 0 7 0 内部等效框图如图3 6 所示 第二章主功率电路设计 图3 6u c c 2 8 0 7 0 的内部等效方框电路 3 3 2 2u c c 2 8 0 7 0 各引脚功能如下 c d r1 p i n 频率抖动速率电容引线 做频率抖动定时 外接一只电容到 g n d 调节振荡器抖动速率 若将其接至v r e f 时即禁止抖动 r d m2 p i n 抖动幅度电阻接线 作为频率抖动幅度及外同步端 外接一只 电阻到g n d 调节振荡频率的抖动幅度 在禁止抖动时 内部的主时钟将同步到 r d m 端的正向沿 将r m d 接到g n d 时禁止抖动及外同步 v a o3 p i n 电压放大器输出 跨导型电压误差放大器的输出 内部接到乘 法器输入及零功率比较器 外部接电压调节环补偿网络元件到g n d v s e n s e4 p i n 输i 电压检测 内部为跨导电压放大器的反向输入端 此 外 还接到电流合成差分放大器的正端子 还要接到o v p p f c 使能及慢速比 天津 i 业人学硕十学俯论文 较器 外部用一电阻网络接至p f c 输出电压 v i n a c5 p i n 比例的a c 线路电压输入 内部接到乘法器和电流合成差分 放大器的负端 从v i n 到g n d 接一电阻网络 分压后接到此端 与p f c 输出 的电阻网络相同 i m o6 p i n 乘法器电流输出 外接一只电阻到g n d 以设置乘法器的增益 r s y n t h7 p i n 电流合成下斜波调节 外接电阻到g n d 以设置电流合成斜 波的幅度 c s b8 p i n b 相电流检测输入 到g d bc s b 导通器件 内部接到b 相电流 放大器的反向输入端 c s a9 p i n a 相电流检测输入 到g d ac s a 导通器件 内部接到a 相电 流放大器的反向输入端 p k l m t1 0 p i n 峰值电流限制调节端 从v r e f 到此端之间接一电阻分压 器 设置逐个周期限流比较器的电压阈值 允许调节所需的 i l b c a o b1 1 p i n b 相电流放大器输出端 b 相跨导电流放大器的输出 内部 接到b 相p w m 比较器的反向输入做后沿调制 外接电流调整坏的补偿元件 从 此端接到g n d c a o a1 2 p i n a 相电流放大器输出端 a 相跨导电流放大器的输出 内部 接到a 相p w m 比较器的反向输入做后沿调制 外接电流调整环的补偿元件 从此端接到g n d v r e f1 3 p i n 6 v 基准电压源 同时为内部电路供电 外接o 1 u f 电容旁路 到g n d g d a1 4 p i n a 相栅驱动输出 该限流输出在内部接到独立的栅驱动器 用 于驱动a 相开关元器件 其输出电压典型值为1 3 5 v v c c1 5 p i n i c 供电端 外接o 1 u f 电容旁路到g n d g n d1 6 p i n i c 公共端 全部补偿网络及调节电阻电容都接于此端 然后 经单独轨迹接到系统地 以隔离大电流噪声 g d b1 7 p i n b 相栅驱动输出 该限流输出在内部接到独立的栅驱动器 用 于驱动b 相开关元器件 其输出电压典型值为1 3 5 v s s1 8 p i n 软启动及外部故障接口 接一个电容到g n d 设置软启动时间 速率 内部有一个1 0 u a 电流源为其充电 给v s e n s e 端调节基准电压使其钳制 到v s s 直到v s s 超过3 v 取决于故障的恢复 从此处以l m a 电流源给s s 端 充电 直到s s 端电压等于v s e n s e 端电压 将此端电压拉到o 6 v 以下时立即 禁止g d a 和g d b 输出 r t1 9 p i n 定时电阻 振荡器频率调制端 外接一只电阻到g n d 设置内 第二章主功率电路设计 部振荡器的运行频率 d m a x2 0 p i n 最大占空比设置端 外接一只电阻到g n d 设置p w m 的 最大占空比 设置基于r d m a x r r t 3 3 2 3u c c 2 8 0 7 0 的工作原理 自然交互式两相p f c 的主要特色之一就是有效地减小输入电流和送入p f c 预调整器输出电容电流的高频谐波分量 与单相功率相同的p f c 相比 在输入 电流上减小的纹波使处理传导e m i 变得容易 减小了e m i 滤波器中c i n 的大小 此外 减小了p f c 输出电容上的高频纹波电流 减小了电容量及成本 进一步 减小了每一相的平均电流及纹波 升压电感的尺寸也比单相的小很多 纹波电流的减小是因为交错的纹波对消 即两相系统的峰峰值纹波在5 0 纹波对消无关的是交互式纹波频率分别为2 f p w m 在输入端 自然交互式减小了峰峰值纹波幅度 是单相的一半或更少 在输 出端 自然交互式减小p f c 纹波电流的均方根值 对于 5 0 的p w m 时 在输 出电容上为 2 或更少 1 调节p w m 频率及最大占空比 p w m 频率和最大占空比钳制对u c c 2 8 0 7 0 的两个g d x 输出通过选择外接 在r t 脚和d m a x 脚上的电阻来完成 选择r t 直接决定p w m 频率 削艘 丽7 5 0 0 3 4 一旦r r t 决定 则d m a x 电阻由下式给出 尺伽t v r r r 2 d 脚一1 3 5 式中 d m a x 即是所要的最大p w m 占空比 2 频率抖动 幅度及速率 频率抖动用于调制丌关频率以实现减弱e m i 的噪声 提高线路滤波器的能 力 u c c 2 8 0 7 0 采用三角波调制的方法 总范围从最低到最高频率定义为抖动幅 度 中心点处为正常开关频率 其由r r t 设置为序w m 例如2 0 k h z 的抖动幅度 中心为i o o k h z 结果工作频率为 1 0 0 a 1 0 k h z 进一步调节占空比钳制 其 由r d m a x 设置在频率抖动的范围内仍然恒定 f p w m 变换的速率从一端到另一端再次返回来定义为抖动速率 例如 1 k h z 的抖动速率由线性调制从1 1 0 9 0 k h z 再到1 1 0 k h z 为l m s 好的起始设计目 标为f p w m 的士1 0 最好的升压元件能接受f p w m 设计师可以重新围绕这一点找 出最好的e m i 衰减元件偏差及环路稳定性之间的折中点 i 业人学硕十学位论文 m 和g n d 之问的电阻设置 由下式计算 第二章主功率电路设计 3 3 3u c c 2 8 0 7 0 电路及参数设计 u c c 2 8 0 7 0p f c 电路如图3 7 所示 图3 7p f c 电路设计 1 升压电感的选择 交互式p f c 升压预调整器的优点之一就是变换器输入 输出处电感纹波电 流的减小 下面的公式 3 1 3 和图3 8 展示出输入纹波电流 a i i n 和独立纹 波电流 a il 1 之比 在两相交互式p f c 中 它们是占空比的函数