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安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 摘要摘要 开关电源以其效率高 功率密度高而在电源领域中占据着重要的地位 开 关电源多数是通过整流器与电网相接的 经典的整流器是由二极管或晶闸管组 成的一个非线形电路 在电网中会产生大量的电流谐波和无功功率而污染电网 成为电力公害 随着电力电子产品的广泛使用 尤其是开关电源的应用 对电网造成的谐 波污染也越来越严重 这使得功率因数校正 PFC 技术成为电力电子研究的 一个热点 功率因数校正的目的 就是采用一定的控制方法 使电源的输入电 流跟踪输入电压 功率因数接近为 1 有源功率因数校正优于无源功率因数校 正 一般多采用之 开关电源有源功率因数校正的主电路通常采用 DC AC 开关 变换器 其中升压型变换器由于具有极大的优点 使用比较广泛 而本设计就 是采用 Boost 电路和专门用作功率因数校正的芯片共同完成开关电源功率因数 的校正 关键词 开关电源 整流器 谐波电流 功率因数校正 有源功率因数校正 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 1 Abstract Switching power supply plays an important role in the field of power supply with its high efficiency high power density Most of the switching power supply connect with the power grid through rectifier the classic rectifier diode or thyristor is formed of a non linear circuits which will have a large number of current harmonics and reactive power that pollute power grid this has become a public hazard electricity With the widespread use of electric and electronic products especially the use of switching power supply applications the grid harmonic pollution is more and more serious which makes the power factor correction PFC technology as a hot spot of the power electronics research The purpose of power factor correction is to use some control methods to supply the input current track the input voltage which is to make power factor closes to 1 Active power factor correction APFC is better than PPFC so it is more generally used The main circuit of active power factor correction is usually the DC AC switching converters which has great advantages and use more widely The circuit of this design is the use of Boost and specialized chips together to complete switching power supply power factor correction Key word switching power supply rectifier harmonic current power factor correction active power factor correction 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 目目 录录 第 1 章 绪 论 1 1 1 课题研究的背景 1 1 2 课题研究的意义 2 1 3 PFC 的发展 2 1 4 开关电源的介绍 3 第二章 有源功率因数校正技术的原理及控制方法 5 2 1 功率因数校正相关概述 5 2 1 1 功率因数的基本概念 5 2 1 2 PFC 技术的分类 6 2 2 有源功率因数校正的基本原理及其控制方法 7 2 2 1 有源功率因数校正的基本原理 7 2 2 2 有源功率因数校正的控制方法 8 第三章 BOOST PFC 变换器电路设计 11 3 1 本论文设计要求 11 3 2 BOOST 电路的简单介绍 12 3 3 有源功率因数校正的集成控制芯片 ICE2PCS02G 简介 13 3 4 PFC 主电路的设计及介绍 15 第四章 本文总结与展望 18 致谢 19 参考文献 20 英文文献及翻译 21 附录 42 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 0 第第 1 1 章章 绪绪 论论 1 1 课题研究的背景课题研究的背景 随着社会经济的不断发展及人们生活水平的不断提高 各种电器和电气设 备在人们的生活 工作中得到了越来越多的应用 由于开关电源具有体积小 功率密度大和工作效率高等一系列优点 因此得到了广泛的应用 这就成了本 课题研究的相关背景 近年来 随着电子技术的发展 计算机等一些通信设备日益普及 被广泛 应用于各种不同的领域 其中电网的谐波污染以及输入端功率因数低等问题显 得日益突出 这些设备的内部需要一个将市电转化为直流的电源部分 在这个 转换过程中 由于一些非线性元件的存在 导致输入的交流电压虽然是正弦的 但输入的交流电流却严重畸变 包含大量谐波 而谐波的存在 不但降低了输 入电路的功率因数 而且对公共电力系统产生污染 恶化电网的功率因数 造 成电路故障 降低电网的供电效率 显然 使用有效的校正技术把谐波污染控 制在较小的范围己是当务之急 为了限制电流波形畸变和谐波 使电磁环境更加干净 国内外都制订了限 制电流谐波的有关标准 如IEC555 2 IEEC519 EN60555 2等 它们规定了允 许用电电器产生的最大谐波电流 采用现代高频功率变换技术的功率因数校正 PFC 技术是解决谐波污染最有效的手段 为了减少谐波对交流电网的污染 这 就必须对电源产品如UPS 高频开关整流电源等的输入电路进行功率因数校正 以最大限度减少谐波电流 功率因数校正的目的 就是采用一定的控制方法 使电源的输入电流跟踪输入电压 功率因数接近为1 如果将开关电源看成是几个独立模块组成的形式 则校正电路是必不可少 的一部分 在整个开关电源中起着重要的作用 因此 提出了本课题 开关电 源功率因数校正电路的设计 研究校正的方法和相关的校正原理 以加深对开 关电源的理解 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 1 1 2 课题研究的意义课题研究的意义 进入二十一世纪 PFC 技术的研究方兴未艾 特别在我国 而对于这方面 的要求和标准规范还不健全 因此选择此课题研究的目的和意义具有如下几点 1 开关电源功率因数校正技术作为电源的一门新兴技术 它的作用和重要性己 得到广泛的认可 如何提高功率因数己成为当今电力电子界的研究热点 2 提高功率因数是节省能源 提高电能质量保证电力系统安全稳定运行的要求 3 针对谐波污染 国际上已制定了各种相关的标准和规定 以限制谐波的危害 净化电磁环境 如 MIL STD 1399 BELLCORE001089 IEC555 2 IEEE519 等 其中 IEC555 2 标准自 1994 年起在欧盟国家全面实施 所有不符合此标准的用 电装置不准在欧洲销售 随着这些标准的强制执行 以及 CI 厂家的积极努力 推动了 PFC 技术的发展 4 在用电设备中采用 PFC 来提高功率因数 提高效率 减少了电源整机成本 提高了可靠性 对于提高产品的竞争力具有十分重要的意义 1 3 PFC 的发展的发展 传统的功率因数概念是在线性负载 如电阻 电感等 条件下得到的 这时 交流电路中的电压和电流为同频率的正弦波 相位差为 0 最早由于使用大量 交流电动机和各种电磁开关以及照明用电大量使用日光灯等感性负载 对于功 率因数校正 简写为 PFC 技术的研究 人们通常在感性负载两端并联移相电容 用容性无功功率补偿感性无功功率 进入上世纪八十年代以来 电力电子设备中开关电源 相控整流器等非线 性负载大量投入使用 给 PCF 技术提出了新的问题 人们最初采用电感器和电 容器构成的无源网络进行功率因数校正 能使 PF 值提高到约为 0 9 随着功率 半导体器件的发展 开关电源技术突飞猛进 有源功率因数校正技术应运而生 1986 年美国公布 功率因数等于 1 的电源 的专利 这是最早的较完整的升压 式 PFC 电路 八十年代是现代有源功率因数校正技术发展的初级阶段 此间的 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 2 研究工作主要是基于 boost 变换器 工作方式围绕连续导电模式或不连续导电 模式的理论研究 进入九十年代后 PFC 技术取得了长足的进展 自 1992 年起 PESC 设立了单相功率因数校正技术专题 这被看作是单相有源功率因数校正技 术发展的里程碑 从此 不断有新颖的功率因数校正原理 拓扑结构及控制方 法出现 有源 PCF 控制器由分体电路发展到集成电路 FPC 技术由理论研究也 逐渐发展到实用化 己有部分商业化产品出现 我国尽管 PFC 技术研究起步较 晚 目前仍取得不少进展 1994 年有关学会组织了 PFC 技术的专题研讨会 小 功率带 PFC 的开关电源也开始进入实用阶段 个别单位开始小批量生产 其 PF 值达到 0 99 我国从 1994 年 3 月开始执行国家标准 GB TI4a49 93 电能质量 公用电网谐波 但对于电源工作者 能使所有开关电源都带 PFC 任重而道远 1 4 开关电源的介绍开关电源的介绍 开关电源技术属于电力电子技术 它运用功率变换器进行电能变换 经过 变换电能 可以满足各种用电要求 由于其高效节能可带来巨大经济效益 因 而引起社会各方面的重视而得到迅速推广 以 AC DC 的变换为例 与传统采用 工频变换技术的相控电源相比 采用大功率开关管的高频整流电源 在技术上 是一次飞跃 它不但可以方便地得到不同的电压等级 更重要的是甩掉了体大 笨重的工频变压器及滤波电感电容 由于采用高频功率变换 使电源装置显著 减小了体积和重量 而有可能和设备的主机体积相协调 并且使电性能得到进 一步提高 正因为如此 1994 年我国原邮电部作出重大决策 要求通信领域推 广使用开关电源以取代相控电源 几年来的实践已经证明 这一决策是完全正 确的 开关电源的使用为国家节省了大量铜材 钢材和占地面积 由于变换效 率提高 能耗减少 降低了电源周围环境的室温 改善了工作人员的环境 我 国邮电通信部门广泛采用开关电源极大地推动了它在其它领域的广泛应用 值 得指出的是 近两年来出现的电力系统直流操作电源 是针对国家投资 4000 亿 元用于城网 农网的供电工程改造 提高输配电供电质量而推出的 它已开始 采用开关电源以取代传统的相控电源 国内一些通信公司如中兴通讯等均已相 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 3 继推出系列产品 目前 国内开关电源自主研发及生产厂家有 300 多家 形成规模的有十多 家 国产开关电源已占据了相当市场 一些大公司如中兴通讯自主开发的电源 系列产品已获得广泛认同 在电源市场竞争中颇具优势 并有少量开始出口 开关电源可分为 AC DC 和 DC DC 两大类 DC DC 类开关电源是将固定的直 流电压变成可变的直流电压 也称为直流斩波器 其工作方式有两种 一是脉宽 调制方式 T 不变 改变 t 二是频率调制方式 t 不变而改变 T 易产生干扰 具体电路分以下几类 1 Buck 电路 降压斩波器 其输出平均电压低于输入平 均电压 极性入出相同 2 Boost 电路 升压斩波器 其输出平均电压高于输入 平均电压 极性入出相同 3 Buck Boost 电路 降压或升压斩波器 其输出平 均电压大于或小于输入电压 极性入出相反 电感传输 4 Cuk 电路 降压或 升压斩波器 其输出平均电压大于或小于输入电压 极性入出相反 电容传输 AC DC 变换器 AC DC 变换器是将交流变换成直流 其功率电流流向可以是双向 的 功率电流流向负载的称为 整流 功率电流流向电源的称为 有源逆变 AC DC 变换器按电路的结构方式可分为半波电路和全波电路 按电路的特点可 分为不可控 半控和全控三类 按电源相数可分为单相 三相和多相 按电路工 作象限又可分为一象限 二象限 三象限和四象限 一般地 开关电源大致由输入电路 变换器 控制电路 输出电路四个主 体组成 如果细致划分 它包括 输入滤波 输入整流 开关电路 采样 基 准电源 比较放大 震荡器 V F 转换 基极驱动 输出整流 输出滤波电路 等 实际的开关电源还要有保护电路 功率因数校正电路 同步整流驱动电路 及其它一些辅助电路等 市场对新型开关电源的主要技术指标要求有 高可靠性开关电源系统的MTBF 平均无故障工作时间 应为15万小时 低 电磁污染 主要包括低输入谐波干扰和低电频电磁干扰两个方面 低输入纹波 纹波大是开关电源的主要缺点之一 是引起数字电路误动作 计算机死机的主 要原因之一 新型低污染 高效率 低应力 低输出纹波开关电源的原理框图 中 主要包括EMI及浪涌吸收滤波电路 前级有源软开关功率因数校正电路 相 移谐振软开关DC DC变换电路及输出纹波抑制电路等 新型开关电源采用的新技 术有以下几项 1 低应力 高可靠性电源变换技术 2 低污染电源变换技术 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 4 3 抑制输出纹波的措施 第二章第二章 有源功率因数校正技术的原理及控制方法有源功率因数校正技术的原理及控制方法 2 1 功率因数校正相关概述功率因数校正相关概述 2 1 1 功率因数的基本概念功率因数的基本概念 在交流电路中 电压与电流之间的相位差 的余弦叫做功率因数 用符 号 cos 表示 在数值上 功率因数是有功功率和视在功率的比值 即 cos P S 功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数 功率因数低 说明 电路用于交变磁场转换的无功功率大 从而降低了设备的利用率 增加了线路 供电损失 所以 供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求 通过改 善功率因素可以减少线损 对与开关电源 可以提高其性能和工作效率 常规开关电源功率因数低的根源是整流电路后面的滤波电容使输出电压平 滑 但却使输入电流变为尖脉冲 而当整流电路后面不加滤波电路 仅为电阻 性负载时 输入电流即为正弦波 并且与电源电压同相位 功率因数为1 因此 功率因数校正电路的基本思想是将整流电路由电容性负载变为电阻性负载 具 有低污染 高效率 低应力 低输出纹波等特点的新型开关电源主要包括EMI及 浪涌吸收滤波电路 前级有源软开关功率因数校正电路 相移谐振软开关DC DC 变换电路及输出纹波抑制电路等 功率因数校正电路对离线电源的输入电流波 形进行整形 以使从电源吸取的有功功率最大化 在理想情况下 电器应该表 现为一个纯电阻的负载 此时电器吸收的反射功率为零 在这种情况下 本质 上不存在输入电流谐波 电流是输入电压的完美复制品 而且与其同相 在这 种情况下 对于进行所需工作所要求的有功功率而言 从电网电源吸收的电流 最小 而且还减小了与配电发电以及相关过程中的基本设备有关的损耗和成本 由于没有谐波 也减小了与使用相同电源供电的其他器件之间的干扰 当今众 多电源采PFC的另一个原因 是为了符合规范要求 现在 欧洲的电气设备必须 符合欧洲规范EN61000 3 2 这要一求适用于大多数输入功率为75 W或以上的 电器 而且它规定了包括高达39次谐波在内的工频谐波的最大幅度 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 5 随着开关电源类电子产品的应用普及 因此而产生的如入电流高次谐波成 分的问题不容忽视 从而功率因数校正的技术应用也显得十分迫切 为了保护 用电设备 世界上许多国家制定出了相应的技术标准 用以限制谐波电流的含 量 2 1 2 PFC 技术的分类技术的分类 根据电网供电方式 PFC 电路可分为单相 PFC 电路和三相 PFC 电路 根据 电路构成 PFC 电路可分为无源 PFC 电路和有源 PFC 下面只介绍有源和无源 PFC 1 无源功率因数校正 单相整流电路的无源功率因数校正技术是在整流电 路中用LC滤波器来增大整流桥导通角 从而降低电流谐波 提高功率因数 无 源功率因数校正由于采用电感 电容 二极管等元器件代替了价格较高的有源 器件 因而使开关电源的成本降低 虽然采用无源功率因数校正技术所得到的 功率因数不如有源功率因数校正电路高 但仍能使电路的功率因数提高到 0 7 0 8 电流谐波含量降到40 以下 因而这种技术在中小容量的电子设备中 被广泛采用 但无源功率因数校正还存在着诸如波峰系数与谐波含量较高等技 术问题 仍需进一步改进 无源PFC电路同时作为整流电路的前断滤波器工作在 工频 50 60Hz 状态下 使用的电容和铁心电感处于工频低通或带通状态 因而滤波器的体积和重量比较大 尽管它的特点是简单 无源PFC电路仍有一些 缺点 首先 巨大的电感限制了它在许多应用中的实用性 其次 如上所述 为了能在全球范围内使用 需要一个线路电压范围开关 增加该开关会增大因 操作者错误 比如开关位置选择错误 而给电器系统带来的风险 最后 未稳 压的电压轨会提高PFC段后直流 直流转换器的成本 并降低其效率 2 有源功率因数校正 它直接采用有源开关或AC DC变换技术 使输入电流 成为和电网电压同相位的正弦波 在整流器和负载之间接入一个DC DC开关变化 器 应用电流反馈技术 使输入端电流的波形跟踪交流输入正弦电压的波形 从而使电网输入端的电流波形逼近正弦波 并与输入的电网电压同相位 这种 方法的主要优点是 可得到较高的功率因数 总谐波波畸变小 可在较宽的输 入电压范围内和宽带下工作 体积小 重量轻 输出电压也可保持恒定 主要 缺点是 电路复杂 平均无故障时间下降 成本较高 效率会有所降低等 有 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 6 源功率因数校正器已广泛应用在AC DC开关电源 交流不间断电源 UPS 等领 域 总之 只要设法抑制输入电流中的谐波分量 即通过电路方法将输入电流 波形校正为正弦波或使其无限接近正弦波 即可实现功率因数校正 由于有源 功率因数校正技术具有补偿性能好的突出优点 所以其在实际应用中占有绝对 优势 本设计就采用有源功率因数校正电路 下面的章节将对其进行详细介绍 2 2 有源功率因数校正的基本原理及其控制方法有源功率因数校正的基本原理及其控制方法 2 2 1 有源功率因数校正的基本原理有源功率因数校正的基本原理 功率因数校正电路基本上是一个AC DC变换器 一个标准的变换器利用脉冲 波宽度调变技术来调整输入功率因数的大小 以供应适当的负载所需的功率 脉冲波宽度调变器切换开关 通常利用Power MOSFET来达成 将直流输入电压 变换成一串电压脉冲波 随后利用变压器和快速二极管将其转成平滑的直流电 压输出 这个输出电压随即与一个参考电压 这个电压是电源供应器应该输出 的标准电压值 进行比较 所产生的电压差回馈至PWM控制器 这个误差电压信 号用来改变脉冲波宽度的大小 如果输出电压过高 脉冲波宽度会减小 进而 使输出电压降低 以使输出电压恢复至正常输出值 PFC电路也是利用这个方法 但是加入了一个更先进的元件 使得来自交 流电源的电流是一个正弦波并与交流电压同相位 此时误差电压信号的调变是 由整流后的交流电压和输出电压的变化来控制的 最后误差电压信号回馈至PWM 控制器 也就是说 当交流电压较高时 PFC电路就从交流电源吸取较多的功率 反之 若交流电压较低 则吸收较少的功率 如此可以抑制交流电流谐波的产 生 理论上 任何一种 DC DC 变换器拓扑都可以作为 APFC 的主电路 由于 Boost 电路结构简单 实现成本低 所以它是目前应用最广泛的功率因数校正 电路 除了上述特点以外 在 Boost 电路中与整流桥串联的电感能减小高频噪 声 减小输入滤波电路的体积 从而降低了成本 由于 Boost 变换器的突出优点 在 APFC 中应用更为广泛 其特点和相关 知识将在下一章节进行详细介绍 基于 Boost 变换器的 APFC 工作原理示意图 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 7 如图 2 1 所示 图 2 1 基于 Boost 变换器的 APFC 工作原理示意图 PFC 的工作原理如下 主电路的输出电压和基准电压比较后 送给电压误差放大器 整流电压检 测 值和电压误差放大器的输出电压信号共同加到乘法器的输入端 乘法器的输出 则作为电流反馈控制的基准信号 与输入电流检测值比较后 经过电流误差放 大器 其输出再经过比较器加到删极驱动器 以控制开关管 VT 的通断 从而 使输入电流 即电感电流 的波形与整流电压的的波形基本一致 使电流谐波 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 8 大为减少 提高了输入端功率因数 由于功率因数校正器同时保持输出电压恒 定 使下一级开关电源设计更容易些 2 2 2 有源功率因数校正的控制方法有源功率因数校正的控制方法 PFC 的控制策略按照输入电感电流是否连续 分为电流断续模式 DCM 和 电流连续模式 CCM 以及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 MixedConduetionMode MCM DCM 控制模式的特点 1 功率因数 PF 总小于 1 仅能起到改善作用 2 功率因数 PF 与输入电压和输出电压比值 a 有关 3 开关峰值电流大 通态损耗 增加 4 输入电流波形随增加 a 而失真增大 所以 DCM 工作方式仅在小功率场 合使用 中大功率电路通常采用 CCM 工作方式 而 CCM 根据是否直接选取瞬态 电感电流作为反馈量 又可分为直接电流控制和间接电流控制 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 PCMC 滞环电流控制 HCC 平均电流控制 ACMC 预测瞬态电流控制 PICC 线性峰值电流控制 LPCM 非线性载波控制 NLC 等方式 CCM 优点为 1 输入和输出电流纹波小 THD 和 EMI 小 2 器件导通损耗小 3 适用于大功 率场合 APFC 的控制电路方式很多 为使控制部分简单化 小型化 己有 IC 厂 家生产出各种不同性能和用途的专用集成电路 一般控制方式有两类 利用乘法 器控制法及电压跟随器方法 乘法器控制法包括电流峰值控制 电流滞环控制 以及平均电流控制 电压跟随器方法包括零电流连续控制模式和电流断续控制 模式 本设计采用 CCM 工作方式并且是平均电流控制型 CCM 是采用乘法器方 法来实现有源功率因数校正 下面简单介绍乘法器控制型 PFC 电路和平均电流 控制型的相关知识 a 利用乘法器控制法 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 9 该方法是将输入电流 电压 输出电压等反馈信号通过模拟乘法器进行函 数处理后来控制瞬态开关电流 使电流等效值与输入电压信号成正比 从而达 到功率因数校正的目的 其基本原理见图 2 2 所示 图 2 2 乘法器方式 PFC 电路 b 平均电流控制 平均电流控制的主要特点是用电流误差放大器 或动态补偿器 代替电流峰 值控制和电流滞环控制中的电流比较器 平均电流控制原来是用在开关电源中 形成电流环 内环 以调节输出电流的 并且仅以输出电压误差放大信号为基 准电流 现在将平均电流法应用于功率因数调节 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 并且电流环调节输入电流平均值 使与输入整 流电压同相位 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 开关频率 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斜坡比较后 给开关管控制信号 并决定了其应 有的占空比 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 使跟踪误差产生的畸变小于 1 容易实现接近于 1 的功率因数 图 2 3 给出了 用平均电流控制时的电感电流波形 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 10 图 2 3 平均电流控制时的电感电流波形 在平均电流控制法的有源功率因数校正控制方式中 采用了电流控制环和 电压控制环 电流控制环使输入电流波形更接近正弦波 电压控制环使升压输 出的电压更稳定 这种控制方法的优点是它可以用于功率大于 200W 的应用场 合 电路可以克服由于输入电压的变化而影响控制环路宽度 并且与其它控制 方式相比 它的高频电流峰值较小 而这种控制方式的缺点是较其它控制方式 此校正电路的造价要高 并且电路也比较复杂 第三章第三章 BoostBoost PFCPFC 变换器电路设计变换器电路设计 3 1 本论文设计要求本论文设计要求 本论文内容来源于 150w 开关电源的研究设计 该设计要求主要设计指标为 输入特性 市电输入 154 275V 50 士 3Hz 输出特性 Boost 输出为 400V 另外 本设计还涉及到输入过压欠压保护 过欠流保护 输出过压欠压保 护 过流保护等等 而本论文受到篇幅及个人能力的限制 不可能把全部内容 做一一研究 仅研究其中的 PFC 变换的部分 其它部分的内容不做过多的介绍 只作为本设计过程中必要的参考 来规范和完善本设计 从而参数的计算也不 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 11 做研究 为了满足以上要求 本论文选择了有实际研究价值的基于 ICE2PCS02G 控 制的 Boost PFC 变换电路来研究 ICE2PCS02G 是一种新型的功率因数校正集 成芯片 得到了广大设计工程人员的广泛认可 应用越来越普遍 其详细内容 将在下面章节中做详细介绍 相互比较而言 应用较广泛的 Flyback 正激变换器型 PFC 虽然易于实现输 入 输出的隔离 但由于其隔离变压器磁芯单向磁化 使得其磁通复位控制困 难 变压器利用率低 电路设计不但困难 复杂 而且可靠性降低 又增加了 电源的体积 重量 铁耗 铜耗及成本 这均限制了它的实际应用 Boost 型输 入电流连续 易于控制 功率因数 PF 高 电流畸变系数 THD 小 输出电压高 允许电容储存更多的电能 能提供更长时间的掉电保护 这些优点促使世界上 一些电力电子器件生产厂商 如美国德州仪器 TI 微线 ML 开发出诸多性能非 常稳定可靠的集成控制芯片 如 UC3852 C3854 UC3855 等 还有英飞公司 生产的 ICE2PCS01G 和 ICE2PCS02G 等芯片 这使 Boost 变换器获得了广泛的 应用 下节中将对这一电路做详细的介绍 3 2 Boost 电路的简单介绍电路的简单介绍 升压斩波电路的原理图及其工作波形图如下所示 a 工作电路图 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 12 b 工作波形图 图 3 1 a b 分析 Boost 电路的工作原理时 首先假设电路中电感 L 值很大 电容 C 值 也很大 当 VT 处于通态时 电源 Uin 向电感 L 充电 充电电流基本恒定为 IL 同时电容 C 上的电压向负载供电 因 C 值很大 基本保持输出电压 UO为恒值 设 VT 处于通态的时间为 Ton 则经过计算输出电压与输入电压的关系为 UO T Toff Uin 输出电压高于输入电压 故该电路为升压斩波电路 Boost 电 路之所以能使输出电压高于电源电压 关键原因有两个 一是 L 储能后具有使 电压泵升的作用 二是电容 C 可将输出电压保持住 而在实际中 电容 C 不可 能为无穷大 在此阶段向负载放电 Uo必然会有所下降 故实际输出电压会略 低 不过当 C 足够大时 误差很小 基本可以忽略不计 Boost 电路目前的典型应用 一是用于直流电动机传动 二是用作功率因数 校正电路 三是用于其它交直流电源中 在本设计中就是取其第二个应用 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 13 3 3 有源功率因数校正的集成控制芯片有源功率因数校正的集成控制芯片 ICE2PCS02G 简介简介 ICE2PCS02G 是一种有源功率因数校正专用控制电路芯片 它可以完成升 压变换器校正功率因数所需的全部控制功能 使功率因数达到 0 99 以上 输入 电流波形失真小于 5 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 采用 ICE2PCS02G 组成的功率因数校正电路 当输入电压在 85 275V 之间变化时 输出电压还可保持稳定 因此也可作为 AC DC 稳压电源 该芯片 采用推拉输出级 输出电流可达 1A 以上 因此输出的固定频率 PWM 脉冲可驱 动大功率 MOSFET 采用 Bi CMOS 技术的第二代 ICE2PCS02G 又在第一代基 础上做了一些重要的改进 第二代 ICE2PCS02G 的内部参考被调整到更低的 3V 以确保精确的保护与控制水平 此外 它的优点还包括 VCC 工作电压范 围更宽 改良了内部振荡器 新增了直接大电容过压保护等 这些优点将使其 应用性能更佳 设计更灵活 ICE2PCS02G 采用 CCM 控制方式 平均电流型 大多为双列直插式 共 有 8 个引脚 现将芯片的引脚图及各引脚介绍如下 图 3 2 芯片引脚图 1 脚 GND 接地端 所有电压的测试基准点 振荡器定时电容的放电电流 也由该脚返回 因此定时电容到该脚的距离应尽可能短 2 脚 电流环补偿管脚 电流环电流的补偿在这个引脚上完成 工作的电 压范围为 0 3V 5V 3 脚 ISENSE 电流检测负输入端 该脚为电流放大器反相输入端 其工 作电压范围 20V 5V 电流范围为 1A 1A 4 脚 输入欠压检测管脚 检测输入电压的值 此引脚的工作电压范围为 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 14 0 3V 5V 当脚上电压低于 0 8V 时 使芯片停止工作 当此脚电压高于 1 5V 时芯片才开始工作 5 脚 电压环补偿脚 对输出电压进行补偿 工作的电压范围为 0 3V 5V 6 脚 VSENSE 电压放大器反相输入端 功率因数校正电路的输出电压经 分压后加到该脚 其工作电压范围 0 3V 5V 电流范围为 1A 1A 7 脚 Vcc 电源电压输入端 为了保证正常工作 该脚电压应高于 11V 为了吸收外接开关管栅极电容充电时产生的电源电流尖峰 该脚到地之间应接 入旁路电容器 8 脚 门极驱动电压输出端 该脚输出电压可以直接驱动外接的 MOSFET 当驱动大功率 IGBT 时 则要加功率放大电路 该脚内部接有钳位 电路 下面介绍一下这个芯片的一些主要保护功能和其它工作特性 a 输入欠压保护 ICE2PCS02 最独特的新特性是增加了一个专用的输入欠压检测管脚 VINS VINS 管脚通过检测经滤波后的输入电压分压来发现输入欠压状态 如 果 VINS 检测到的电压低于 0 8V 那么芯片的输出将被关断 只有当 VINS 检 测到的电压回升到 1 5V 后芯片才会被重新唤醒 需要注意的是 从欠压保护状 态恢复时 芯片仍具备软启动特性 b 开环保护 为了保护输出 芯片还具备开环保护功能 只要 VSENSE 电压下降到 0 6V 以下 即相当于 Vout降至额定电压的 20 以下 就说明芯片处于开环状态 也就是说 VSENSE 管脚没有与外部电路连接 此时 芯片中的大多数模块都 会被关断 这是通过一个阈值电压为 0 6V 的比较器实现的 c 输出过压保护 当 Vout 超过额定电压的 8 后 芯片的过压保护 OVP 电路就被启动 过 压保护是通过检测 VSENSE 管脚上的电压相对于 3 25V 参考电压的差值实现的 只要 VSENSE 上的电压超过 3 25V 栅极信号就会被立刻阻断 d 软过流控制 SOC 和峰值电流限制 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 15 当电流检测电路得到的电压幅度达到 0 68V 时 软过流控制 SOC 就会启 动 SOC 是一种软控制方式 它不会直接关断栅极驱动 而是通过控制内部模 块达到减小 PWM 占空比的目的 此外 芯片还提供一种周期性峰值电流限制 PCL 功能 该功能在电流检测电路得到的电压幅度达到 1 04V 时启动 该功能 启动后 芯片的栅极输出会在 300ns 的消隐时间之后立刻关断 e 芯片供电的欠压闭锁 当 VCC 电压低于欠压闭锁阈值 VCCUVLO 通常为 11V 时 芯片的栅极 驱动会被内部拉低 从而将芯片的输出保持在关断状态 此时芯片只消耗 200uA 的电流 f 软启动特性 当 Vcc 脚的电平超过导通阈值 通常为 11V 时 PFC 就会启动 这里采用 的是独特的软启动机制 输入电流保持正弦并逐渐增大 直到输出电压达到额 定值的 80 这样 升压二极管在大电流情况下就不会承受很大的二极管占空 比压力 g 增强的动态响应特性 由于 PFC 固有的低带宽动态特性 在出现负载跳变的情况下整流电路将 无法提供足够快速的响应 并导致输出电压陡增或陡降 为了解决 PFC 应用中 存在的这一问题 英飞凌公司在该芯片中增强了动态响应性能 只要输出电压 变化超过 5 芯片就会跳过慢补偿运放而直接启用非线性增益模块 从而有 效改变占空比 这样 输出电压就可以在短时间内得以恢复 3 4 PFC 主电路的设计及介绍主电路的设计及介绍 经过长时间的认真学习和查阅资料 还有对相关实际设计的参考 现将 开关电源功率因数校正电路设计的电路图设计如下 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 16 图 3 3 PFC 电路原路图 接下来对上面的电路原理图做相应的分析 线路输入线路输入 ICE2PCS02G 的 AC 线路输入端包括用作过流保护的输入保险丝 FU 用于滤除高频电流纹波 抑制射频干扰的集成芯片 AHC 15S 功率级升压型功率级升压型 PFC 转换器转换器 在桥式整流器 KBU8M 之后 就是由 L G VD1 和 C7 组成的升压型 PFC 转换器 MOSFET 管 G 和碳化硅二极管 VD1 共用同 一个散热器 以保证系统产生的热量能均匀发散 输出电容 C7 提供能量缓冲 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 17 功能 用以将 100Hz 的输出电压纹波降低到可接受的水平 升压型转换器的升压型转换器的 PWM 控制控制 升压型 PFC 转换器的 PWM 控制由一块 8 引脚的 CCM PFC 芯片 ICE2PCS02G 实现 与传统 PFC 控制器不同的是 ICE2PCS02G 并不直接需要正弦波参考信号 开关频率是固定的 65kHz 由芯 片的内部振荡器提供 该电路中有两个控制环路 一个是电压环路 一个是电流环 路 分压器 R15 检测到输出电压后 将其送至内部的误差放大器 误差放大器的 输出又用于控制内电流环的电流 补偿网络 C5 C6 和 R6 构成误差放大器的外 部电路 该电路允许反馈匹配各种负载条件 因此能提供稳定的控制 为了使 电路不错误地响应 100Hz 的纹波 电压环路补偿电路采用低带宽技术实现内环 即电流控制环 在实现时采用了平均电流模式策略 瞬时电流被调节到与 MOSFET 的断电压 DOFF 以及电压环中误差放大器的输出电压成正比的水平 采样电阻 R2 检测到电流后 通过 R4 将其反送回芯片 芯片用一个内部运放对 检测到的电流信号进行平均 然后在驱动栅极驱动电路的 PWM 发生器中进行 处理 内部运放对电流感应信号的平均过程是通过对 ICOMP 管脚上外接的一 个电容 C2 进行充放电实现的 芯片由外部电压源供电 并经 C10 滤波与缓冲 芯片的输出栅极驱动器采用了快速图腾柱栅极驱动 它内带交叉传导电流保护 装置和一个齐纳二极管以保护外部晶体管开关不受意外过压的损坏 选用栅极 驱动电阻 R7 的目的是限制和门控脉冲电流 并驱动 MOSFET 实现快速开关 另外 电路图中还应用了共发射极放大电路 给予这样的设计是因为 通 过放大电路可以将集成芯片产生的小信号放大后驱动 Boost 电路中的晶闸管 给予这样的安全考虑 可以使芯片的温度不至于太高 使它工作在安全的状况 下 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 18 第四章第四章 本文总结与展望本文总结与展望 本设计是 150W 开关电源功率因数校正电路的设计 通过认真的学习和 广泛的查阅资料 在本设计中采用了 Boost 升压电路和集成控制芯片 ICE2PCS02G 整个电路主要有这两个模块组成 整个设计思路清晰 目标明确 应用原理简单易懂 通过工程设计人员的反映和对相关产品的了解 ICE2PCS02G 是需要最少外部元件的 PFC 应用的绝佳选择 相信本设计也会是 一个成功的范例 目前研究的功率因数校正 一般都是指 Boost PFC 前置级和后随 DC DC 功率变换级 对 Boost PFC 前置级研究的热点有两个 一是功率电路进一步完 善 二是控制简单化 如果工作在 PWM 硬开关状态下 MOSFET 的开通损耗 和二极管的反向恢复损耗都会相当大 因此 最大的问题是如何消除这两个损 耗 相应就有许多关于软开关 Boost 变换器理论的研究 现在具有代表性的有 两种技术 一是有源软开关 二是无源软开关即无源无损吸收网络 有源软开关采用附加的一些辅助开关管和一些无源的电感电容以及二极管 通过控制主开关管和辅助开关管导通时序来实现 ZVS 或者 ZCS 除了软开关的研究之外 另一个人们关心的研究方向是控制技术 目前最 为常用的控制方法是平均电流控制 CCM DCM 临界控制和滞后控制三种方法 但是新的控制方法不断出现 其中大部分是非线性控制方法 比如非线性载波 技术和单周期控制技术 这些控制技术的主要优点是使电路的复杂程度大大降 低 可靠性增强 现在商业化的非线性控制芯片有英飞凌公司的一种新的 CCM 的 PFC 控制器 被命名为 ICEPCS 是基于一种新的控制方案开发出来的 与 传统的 PFC 解决方案比较 这种新的集成芯片 IC 无需直接来自交流电源的正 弦波参考信号 该芯片采用了电流平均值控制方法 使得功率因数可以达到 1 另外 还有 IR 公司的 IRISS5XX 系列 基于单周期控制原理 不需要采集 输入电压 外围电路简单 最后 怎样提高功率因数校正器的动态响应是当前摆在我们面前的一个难 题 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 19 致谢致谢 本论文是在刘艳丽老师和研发工程师汪老师的悉心指导下完成的 刘艳丽老师严谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响 她亲切的态度以及自始至终对学生的严格要求 让我深深感动 在此衷心感谢 刘老师对我的关心和指导 同时也感谢电气工程及其自动化专业所有关心我的 老师和同学 感谢他们对我的学习 工作和生活所给与的帮助和支持 在做毕业设计期间 汪工程师给了我悉心的指导 汪工程师年轻博学 他 勤奋严谨的工作作风 精益求精的治学态度 对科学前沿的敏锐洞察力及对科 学研发事业的执着追求 都给予我极大的启发 在此 衷心感谢汪工程师对我 的指导和帮助 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 20 参考文献参考文献 1 清源计算机工作室 Protel99SE 原理图与 PCB 及仿真 机械工业出版社 2004 2 蔡宣三 龚绍文 高频功率电子学 科学出版社 1993 3 张占松 高频开关稳压电源 广州科技出版社 1997 4 刘胜利 现代高频开关电源实用技术 电子工业出版社 1993 5 阮新波 严仰光 脉宽调制 DC DC 全桥变换器的软开关技术 科学出版 社 1999 6 赵修科 开关电源中磁性元器件 辽宁科学技术出版社 2002 7 7 毛兴武 祝大彪 功率因数校正原理与控制 IC 及其应用设计 中国电力出版 社 2004 8 8 路秋生 校正技术与应用 机械工业出版社 2003 9 9 王兆安 开关电源技术 机械工业出版社 2004 1010 陆家珍 逆变电源的功率因数校正技术 科学出版社 1999 1111 朱方明等 有源功率因数校正技术原理及应用 中国电力出版社 2001 1212 杜开初 智能功率因数补偿控制系统 机械工业出版社 2002 1313 丁九良 功率因数校正电路放入分析及改进 科学出版社 1998 1414 TI Power management selection Guide 4Q 2004 1515 J M Borgerous semiconductor KIT Power Correct AN 1996 安徽建筑工业学院 毕业设计 论文 21 英文文献及翻译英文文献及翻译 Current Differential Protection based on Non Conventional Instrument Transformer andIEC61850 I INTRODUCTION Currently digital substation is a headline to utilities andvendors Digital substation covered all aspects such as CT VT breaker transformer protection control communication software development and application 1 3 Substation automation system SAS implemented using intelligent electronic devices IEDs and network communication technologies could facilitate the effective substation monitoring local t2 data processing time in MU which lies on the processing speed of MU The sampled values will be converted into another form followed by IEC 61850 t3 data transmission time between MU and CDR t4 data transmission time between CDRs placed in both line ends and it includes the data processing time in CDR B Analysis of Data Transmission Time and Delay nondeterministic In these parts mentioned above