电气电子毕业设计238一种全数字化高频开关电源设计
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一种全数字化高频开关电源设计 摘要 功率因数调整 (PFC)模块是开关电源的重要组成部分，它可以有 效的减小电源对电网产生的谐波“污染”和增加电能利用效率。传统的 PFC模块都是由模拟电路实现，而如今，数字化控制正成为高频开 关电源发展的趋势。 在本论文中，我们探索了用数字信号处理器件 (DSP)实现开关电源功率因数调整的可行性。首先，文中详细讨论了模拟 PFC电路的工作原理和特性，然后介绍 DSP器件的特点和开发环境等。在这个基础上，结合计算机控制理论，我们提出了用 DSP器件实现功率因数调整 的整体方案。接着，我们分 别就软件和硬件实现进行了讨论，给出了详细的实施步骤和实施细节。最后，我们设计出了 UC3854控制的模拟 PFC电路，并给出了实验结果。 关键词 :开关电源， DSP，功率因数调整， PFC,UC3854 Abstract Power Factor Correction (PFC) module is an important part of Switching Power Supply (SPS).It can significantly reduce the harmonic pollution produced by the SPS and improve electric power using efficiency. Traditional PFC function is always realized by analog circuits, but now, for its special advantages, digital control is becoming the character of the next generation of PFC circuits. This paper discusses the feasibility of using a DSP (digital signal processor) to realize the PFC function of a SPS. First, we introduce the principle and characters of one analog PFC circuit. Then the characters and developing environment of DSP devices are introduced. Based on these and with the computer control theory, we get the digital control scheme. Next, detailed software and hardware implementing processes are provided. Finally, we design analog PFC circuits which is controlled by UC3854 and present experiments results . Keywords: Switching Power Supply, Power Factor Correction， PFC, DSP,UC3854 nts 1 目录 1.前言 .3 1.1引 . 3 1.2 开关电源的发展 . 3 1.3 通信电源系统简介 . 4 1.4开关电源技术的现状与发展趋势 . 5 1.5 本课题设计的要求与任务 . 8 1.5.1 设计要求及内容 . 8 1.5.2 主要设计技术指标： . 8 1.5.3 设计任务 . 9 1.5.4 时间进度安排： . 9 2. 模拟功率因数校正 -PFC .10 2.1 功率因数问题 . 10 2.2 Boost 变换器 . 12 2.2.1 工作原理 . 13 2.2.2 电路各点的波形 . 13 2.2.3 电压增 益 . 14 2.3 功率因数校正原理 . 16 2.4 UC3854 组成的 PFC电路 . 18 3. 数字信号处理器 DSP 及控制方案 .21 3.1 DSPs 的主要结构特点 . 21 3.2 DSP 器件与单片机的比较 . 22 3.3 DSP 开发步骤 . 23 3.4 TMS320LF2407A 简介 . 23 3.5 DSP 控制电路设计 . 26 3.5.1 事件管理器 . 26 3.5.2 A/D 采样电路 . 27 3.5.3 程序存储器和数据存储器与 TMS320F240 的接口电路 . 28 3.6 平均电流方案建模 . 28 3.6.1 PFC 与 DSP 的硬件连接 . 29 3.6.2 PFC 数字控翻设计图 . 30 4. 电路设计 .31 4.1 PFC 电路设计 . 31 4.1.1 控制芯片的选择 . 31 4.1.2 有源功率因数校正控制芯片 UC3854 简介 . 31 nts 2 4.1.3 设计步骤及计算 . 33 4.1.4 UC3854 控制 PFC 电路图及分析 . 37 结论 .39 致谢 .40 参考文献 ： .41 附录 .42 nts 3 1.前言 1.1 引 通信电源作为各种通信系 统中必不可少的重要组成部分，其任务是安全、可靠、高效、稳定、不间断地向系统提供能源。随着通信技术的日新月异发展，对通信电源系统提出了越来越高的要求；而且，电源的发展是与电力电子技术、功率器件和控制技术紧密相关的，尤其是大功率的 IGBT和 MOSFET的出现，带动着通信电源的开关技术和控制技术的发展，国内一些发展通信设备的大企业，技术上和管理上努力与国际接轨，具备 ISO9001 质量保证体系，使通信高频开关电源得到了成功广泛应用，也得到广大用户的积极认同。通信电源已具有功能齐全，质量稳定，并能实现全智能集散式监控 、无人值守、电池自动管理，功能上基本接近国际先进水平。 1.2 开关电源的发展 开关电源的发展经历了线性电源、相控电源到开关电源的发展历程。开关电源具有功率转换效率高、稳定范围宽、功率密度比大、重量轻等特点，目前，在市场上产品基本上为相控电源和开关电源，而且开关电源将取代相控电源成为新一代通信电源的主体。开关电源向着高频小型化、高效率、高可靠性 。 1. 工作频率高频化 开关稳定电源工作频率高频化的主要目的是为了进一步减轻重量、缩小体积以及改善开关电源的性能。现在，开关电源的开关频率达 100KHz以上已不是难事。 2. 电路集成化 为了缩小体积，除了提高开关电源的开关频率之外，电路集成化也是重要的一方面。 3. 体积小型化 随着集成化和高频化的发展，开关电源的体积变得越来越小。一些小功率的开关稳定电源已被做成模块插件形式，使用起来极为方便。 80 年代，国外通信电源基本上采用的 PWM控制技术的 MOSFET的开关整流器，开关频率均在 50KHz 左右。进入 90年代，零电压 和零电流软开关 PWM 技术的成功应用，而且工作频率可以作到 250-350KHz。可以看出，通信电源的体积将作得更小，功 率密度越来越高。 nts 4 4. 谐振软性开关变换电路 谐振软性开关变换电路将成为新一代变换电路的发展主流软开关技术的应用使得开关电源的效率越来越高。 5. 智能化技术 计算机网络、计算机通信、计算机控制技术得到了快速的发展，为集计算机网络、计算机通信、计算机控制技术于一身的通信电源监控系统进一步发展和完善提供了条件，逐步实现了少人值守、无人值守。 1.3 通信电源系统 简介 通信电源系统按照容量来分可以分为：一是中小容量电源系统（输出容量 300A以下），适用于模块交换局、移动基站、接入网等 ；二是中大容量电源系统（输出容量 300A-600A），适用于中小交换局、移动基站、卫星通信站等；三是大容量电源系统（输出容量 600A 以上），适用交换局、汇接局、长途局和关口局等。根据用户需求，可以平滑扩容 。 通信电源系统由交流配电、整流柜和直流配电及监控模块组成，集散式监控系统可以满足将交流配电柜、直流配电柜及整流柜放在不同的楼层实现分散供电而能实时有效地监控的需求。对于交流配电柜，主要完成市电输入或油机输入的切换及交流输出的分配功能，一般还要求对所有带电体采取防护措施，必要的三级防雷措施，单面操作维护 及本机实时显示工作状态和保护告警等功能。直流配电柜则主要完成对直流输出路数的分配，电池接入与负载连接等功能，还要求配电线的自由出线，正面操作维护，可实现柜内并机和柜外并机，本机状态显示和保护告警，对配电的所有熔断器输出，应能对每一路熔断器的通断状态进行检测。整流柜的主要功能是将输入交流电通过转换，输出满足通信要求的直流，一般整流柜由许多整流模块并联组成，共同分担负载，并能良好均分负载，而且其中一个模块有故障还不能影响系统正常工作。整流模块是整个电源系统的核心。 监控模块除了要实现将交流配电柜、直流配 电柜和所有模块监控起来外，还需完成电池自动管理功能，包括停电后来电的预限流功能，二次下电功能，以及网络化功能。 通信电源系统是通信的能源供给者，除了可靠稳定地工作外，其电磁兼容性设计，防护设计以及可操作性和可维护性也是很关键的。 nts 5 1.4 开关电源技术的现状与发展趋势 开关电源的基本结构可分为主电路、控制电路、监控电路以及辅助保护电路等。主电路有电网滤波、整流桥、 PFC电路、 DC-DC电路、输出滤波电路组成；控制电路主要有 PWM脉冲信号或 SPWM脉冲信号；监控电路一般有 CPU电路、通信接口、 显示电路等；辅助保护电路一般有给控制电路等供电的辅助电源、输入过欠压保护、输出过欠压保护、过流保护、防雷保护、短路保护等。 1. 软开关技术 软开关的最大优点是减少了开关损耗，提高了效率，为进一步提高变换频率提供了有力的依据。软开关是在开关器件的导通和关断过程中，开关管上的电压或电流保持为零，使开关管上的电压和电流重叠区为零，也即零损耗开通或关断技术。这样，损耗大大减少。软开关技术最近发展较迅速，已经成功应用于产品中，而且软开关的实现方法多种多样，常见方法有：缓冲电路、谐振环路和谐振开关等。基本思路 是利用电路中的电感或电容储能元件在开关管开通和关断时，使电压或电流转移或谐振到零，从而达到零电压或零电流开关。 软开关技术现已有相当成熟的产品应用，如零电压零电流（ ZVZCS）全桥移相变换器 。 软开关技术的发展将朝着简化电路，提高整体可靠性的方向发展。 2. PFC电路 传统电力电子设备（包括电源）的大量采用，对周围电子设备产生危害，同时对电网产业谐波 “ 污染 ” 。一方面产生 “ 二次效应 ” ，即电流过线路阻抗造成谐波电压降，反过来使电网电压也产生畸变；另一方面，会造成电路故障，使变电设备损坏，如变 压器过热、 LC 振荡、高次谐波电流流过电容使之过热爆炸等。为此，降低电力电子设备的谐波损耗（ THD）、提高功纺因数（ PF）成为学术界研究热点，各生产厂家也不断推出相关产品。降低电力电子设备的谐波损耗、提高功率因数主要有以下方法： 1、无源功率因数校正（ PASSIVE POWER FACTOR CORRECTION， PPFC）通过在电路中加入无源元件（如电感 L、电容 L、二极管 D）来降低谐波损耗、提高功率因数。PPFC在功率较小（一般小于 400W）时，能满足 IEC谐波标准。 PPFC 具有简单、可靠、成本低的优点。 2、 有源功率因数校正（ ACTIVE POWER FACTOR CORREC-TION， APFC）即通常所说的 PFC，通过有源器件实现。 APFC在功率超过 500W左右时采用较多，且能满足 IEC谐波标准。单相 APFC技术相当成熟，且有许多成功的软开关专利技术应用，已在通信电源产品中大量采用。三相有源 PFC技术控制复杂，成本较高，现基本处于研究推广阶段，在通信电源产品中还很少采用。 三相 PFC与单相 PFC的基本出发点是相同的，即使电流跟踪电压而变化，从而提高功率因数、减小谐波损耗。 PFC的控制技术有 乘法器 PFC技术（电感电流连续）、电压跟随器 PFC技术（电nts 6 感电流断续）、 PFC 的软开关技术、三电平 PFC技术、磁放大 PFC 技术技术。 目前，国际上关于谐波的标准主要有 IEC标准，也是国内的主要参考标准。 在通信电源中，输出功率 3KW以下，一般采用单相输入，功率在 3KW以上，一般采用三相输入。三相 PFC技术目前是研究的重点，从电路拓扑、控制技术、软开关技术、单级变换技术、建模与仿真技术几个方面学术界进行了许多研究。在各主要通信电源生产厂家，竞相开展三相 PFC技术的工程化研究。 传统三相 AC-DC变换器为不控整流或相控整流： 1）具有简单、可靠、成本低的优点； 2）但存在网侧功率因数（ PF）低（一般小于 0.95）、谐波电流大、不满足 IEC谐波标准、对电网及其他设备有不良影响等缺点。在电感电流连续，三相的电压和电流波形见下，由此可见，采用此种办法谐波含量还是较大的， PF值理想情况下才 95%，电流中含有较大的六次谐波，影响电网质量，同时，严重影响了第 5次和第 7次谐波成分。想进一步提高只有改变拓扑结构或控制技术。 三相 APFC技术通过功率开关实现 PF 校正、减小谐波。其目标可以概括如下： A 网侧电流波形接近正弦，降低谐波损耗（ THD 5% B 网侧功率因数接近 1（ PF et1） C 负载适应范围宽（理想情况与负载无关） D 适应大范围的电网波动（大于 20%） E PFC变换效率高（大于 96%） F 电磁兼容性好（满足 EMC标准） G 整机低成本、体积小、重量轻、高可靠性 3. 电路设计 开关电源电路属于强非线性的动态系统，对其进行解析确是非常困难的。一般情况下，对变换器的建模方法可分为两大类，一是数字仿真法，一是解析建模法。数字仿真法是指利用各种各样的算法对开关变换顺进行数值计算得到某些特性数值解的方法；可以对电路进行全面的分析，在分析与设计甚至调试过程中起着重要的作用，如采用分析软件 PSPICE、 SABER等，不需要新建立电路模型，只需建立电路的仿真模型或等效电路就可以了，分析方法简单、直观，越来越得到广泛的应用。解析建模法是指利用解析表达式来描述开关变换器特性的建模方法，此法直观明了，物理概念清楚、可以利用线性电路和古典控制理论对开关变换器进行稳态和小信号分析，对设计有一定的指导意义，主要有离散法、平均法、符号法及 PFC电路的 建模法等。 计算机仿真技术应用越来越广泛，主要从以下几个方向发展。 数字电路与模拟电路相结合； 控制策略与实际应用电路相结合，如 DSP控制技术策略， PWM、 SPWM控制策略，空间失量控制策略等； 建模方法向硬件描述语言过渡，逐步实现标准化，如 MAST 语言， Sp-ectreHDL等； 多种仿真工具相结合，电路仿真、热仿真、流体仿真、应力仿真相结合，仿真nts 7 工具如： Saber， Ansys， Cadence等。 运用仿真进行可靠性、稳定性及量产性分析等。 4. 电磁兼容性设计（ EMC） 进行通信电源设计时，需要电磁兼容性设计，减少对外部环境的干扰控制，同时，外部环境的干扰不能引起设备的不正常反应。为了对电网质量进行控制，减少各种“ 污染 ” ，近年来国际电工委员会（ IEC）相继发布了 ICE61000系列电磁兼容标准，我国国家质量技术监督局决定在国内 “ 等同 ” 采用，通信行业颁布的通信电源设备电磁兼容性限值及测量方法对各种干扰进行了详细的规定。内容包括传导、辐射、谐波电流、电压起伏和闪烁及抗拢性要求，抗拢性要求又包括辐射电磁场、射频连续传导信号、流涌、电快速瞬变脉冲群、 电压跌落与中断等。 5. 防护技术 防雷设计是保证通信电源系统可靠运行的必不可少的一项要求，雷电对信息设备产生危害的根源是雷电电磁脉冲。雷电电磁脉冲包括两个方面，雷电电磁场则是产生感应雷过电压的根源。对通信设备而言，雷电过电压的来源主要有：感应过电压、雷电侵入波和反击过电压。一般情况下，采取系统防护、概率保护、多级防护的防雷原则。 三防设计是指防潮设计、防盐雾设计和防霉菌设计。电子设备的表面在潮湿的海洋大气中会吸附一层很薄的湿水层，即水膜，但水膜达到 20-30分子层厚时，就形成化学腐蚀所必须的 电解质膜，这种富含盐分的电解质对裸露的金属表面具有很强的腐蚀活性。另外温度突变，在空气中产生露点，会使印制线间绝缘电阻下降、元器件发霉，产生铜绿、引脚被腐蚀断裂等情况。湿热环境为霉菌的滋生提供了有利条件。霉菌以电子设备中的有机物为养料，吸附水份并分泌有机酸，破坏绝缘，引发短路，加速金属腐蚀。在工程上，可以选用耐蚀材料，再通过镀、涂或化学处理即通过对电子设备及零部件的表面覆盖一层金属或非金属保护膜，使之与周围介质隔离，从而达到防护的目的。在结构上采用密封或半密封形式来隔绝外部不利环境。对印制板及组件表现涂覆专 用三防清漆可以有效避免导线之间的电晕、击穿，提高电源的可靠性。变压器应进行浸漆，端封，以防潮气进入引发短路事故。 6. 安规设计 对于电源而言，安全性历来被确定为最重要的性能，不安全的产品不但不能完成规定的功能，而且还有可能发生严重事故，甚至造成机毁人亡的巨大损失。为保证产品具有相当高的安全性，必须进行安全性设计。电源产品安全性设计的内容包括防止电危险、过热危险。对商用设备市场，具有代表性的安全标准有 UL、 CSA、 VDE等，内容因用途而异，容许泄漏电流在 0.5-5mA 之间，我国用军标准 GJB1412 规定的泄漏nts 8 电流小于 5mA。目前大型的通信电源制造商其产品已取得国内、国际的安规认证。 7. 结构造型 现代机械设计的概念比较复杂，在满足功能的前提下，还要满足情趣、品味、生产管理、价格等各方面的要求。通信电源在产品结构性能方面是朝着单面操作，自由出线；模块化设计，减低成本；小型化等方向发展的。结构造型的市场发展方向将是严格按 IEC-297标准尺寸设计，与国际同行业接轨，要求不同企业的产品能互相替换；而且能满足安全规范、 EMC测试要求等。 8. 操作与维护 在系统日益小型化基础上，操作和维护的方便性就 显得非常之重要。这就要求系统在设计之初就要考虑进去，全正面操作与维护，机柜靠墙安装；在线维护；热插拔技术的运用。 9. 智能化监控 现在的通信电源系统基本上采用集中分散式监控系统，对系统中的每一状态量和控制量进行监控，并通过网络技术将这些信息送到相关人员手中。同时对电池进行全自动化的管理，包括电池的在线管理控制其充放电电流大小，均浮充转换，以及停电后来电的预限流控制，还有电池的放电测试等。监控模块对整流模块电压调节与无级限流控制，检测整流模块的各种状态并进行必要的保护和告警。未来通过监控模块可以上网 ，将数据在 internet网上进行传输。维护人员只要通过 internet 就可以随时随地进行数据的查询、维护工作 。 1.5 本课题设计的要求与任务 1.5.1 设计要求及内容 一种全数字化高频开关电源设计的设计题目目的要求是设计一种先进的软开关模式下的高频开关电源电路。它用单片机或 DSP为控制手段，采用高频软开关功率技术变换器，并能实现 PFC控制。本毕业设计可使学生学习并掌握高频软开关功率变换器、 PFC技术的工作原理、电路结构、技术性能及设计方法，并使用单片机或 DSP技术对其监控的方法。本课题要求学生设计分析 硬件线路及软件，为以后从事电子产品的设计、使用、维护打下基础。 本课题的主要内容是拟设计一种先进的软开关模式下的高频 UPS电源电路，以微处理器为核心构成智能控制器，以高频软开关功率电路实现电能的各种转换，采用专用芯片实现 PFC控制。 1.5.2 主要设计技术指标： 输入电压： 176V-264V 输出电压： 220V系统 nts 9 稳压精度： 1% 开关频率： 40KHZ 纹波系数： 2% 输出功率： 3000W 功率因数：空载时 0.95,满载时 0.99 1.5.3 设计任务 本课题的 主要设计任务为：（ 1）阅读相关参考资料，在此基础上，进行课题发展综述、主电路及控制电路方案论证。（ 2）电路方案选型及设计计算，用 PROTEL绘制电路图并对设计进行实验验证。（ 3）根据前述控制功能进行控制电路设计，划分软硬件电路功能，确定硬件电路结构并进行软件设计，在此基础上进行相关实验研究。（ 4）完成单片机软件设计。（ 5）编写毕业设计报告。 1.5.4 时间进度安排： 调研 、 设计方案论证及题目发展动态综述 1周 控制电路 、 单片机部分电路设计 4周 主电路设计计算 、 实验验证 4周 单片机软件设计 3周 用 PROTEL 绘制电路图 1周 毕业设计报告打印及答辩 2周 nts 10 2. 模拟功率因数校正 -PFC 2.1 功率因数问题 用电设备的功率 因数 指交流输入有功功率 P和视在功率 S的比 值，即 UIuidtTSP T )/1( 0 (2-1) 又 式中， U, I为输入电压、 电流的有效值， u,i为输入电压、电流的瞬时值。设 u(t)为正弦波 (一般市电满足这个要求 ): tUtum sin)( (2-2) 式中为输入电压的角频率。对线性负载，如电感、电容、 电阻及它 们组成的网络，电流 i与 u之间 有一相位差 0，即 )sin()( tIti m 则可计算线性负载的功率因数为 2c o s)2/1( )s in (s in2/1( 0 mmTmmIUtdttIU (2-3) cos 称为相移功率因数。对非线性负载，电流 i由许多谐波组成，如 tnIIti nnos in2)(1 (2-4) 式中oI为直流分量 ,nI为第 n次谐波电流的 有效值，此时功率因数为 tdtnIIUtdttIUnnomTmm 220 10)s in2(2 12)s in (s in2/1( 021021221nnnnmmIIIUIU(2-5) 式中 1I 为基波电流的有效值， I为输入电流的有效值。可见只有基波电流才能产生有功功率 (注意输入电压为正弦波的假设，否则这个结论不成立 )。 称为失真功率因数。对一般的负载，其基波电流和输入电压可能不同相，则此时负载的功率因数为 1cos (2-6) 这里的 1 应为输入电压和基波电流之间的相位差。 没有采取功率因数校正的开关电源，其输入电路如图 1-1 (a)所示，输入电压和输入电流的波形如图 (b)所示。可以发现输入电流呈孤立的尖峰状。这是因为只有当输入电压高于电容电压时整流桥才导通，如 nts 11 图 2-1 未加功率因数调整的开关电源的输入电路和电压、电流波形 图 (C)所示。这种尖峰状的电流 含有丰富的谐波。对电流用傅立叶级数 展开，可得 : )s in ()(1 nn ntnIti (n为奇数 ) (2-7) 即它只 含有奇数次谐波，且既有谐波失真，又有相位失真，所以功率 因数为 12523211 c o s IIII (2-8) 但是它很难计算，可采用简化模型来近似计算。设整流桥导通角为 则有 : c o s1lnRC (2-9) 22,s inc os)( ttRUtCUti mm(2-10) 由上式解得导通角 ,则 22222)(12)(s in1tdtiUtdtitUSPmm(2-11) 一般这种输入电路的功率因数为 0.6-0.8 用电设备的输入功率因数低将会造成许多危害，主要表现为 : 1. 输入电流中含有许多谐波，这些谐波通过输入线串入电网，给 电网造成许多谐波污染，干扰其 它用电设备，并可能造成电网 谐振 ; 2.输入电流的峰值和有效值增大，增加了电网损耗，并容易增加 线路故障如线路、配nts 12 电器过热 ; 3.增加了供电容量，加大了前级设备 (如变压器等 )的定额和和 保护器规格 ; 4.大大增加了中线负荷，使中线易过流而损坏，降低了安全性能。 目前很多广泛使用的家电和办公自动化设备的功率因数都很低，电网的污染日益严重。解决谐波污染的途径主要有两个方面 :一是对电网实施谐波补偿，二是对用电设备自身进行改造，从根本上消除谐波 源。对大容量工业装置采用有源电力滤波器进行动态谐波抑制和无功 补偿，对数量多且分 散的中小功率电源系统采用内部功率因数校正 (PFC)电路。 功率因数校正电路分为无源功率因数校正和有源功率因数校正 (APFC)两种。无源PFC主要由电感、电阻、电容和二极管等组成，但由于体积和重量大，效果却不好，使用日益减少。有源 PFC 是 80 年 代中后期开始发展起来的一种新技术，它通过高频斩波控制使输入电流紧跟输入电压的变化来提高功率因数。使用这种方法，功率因数可 以达到 0.99 以上。由于使用高频变换，体积和重量都很小。有源功率 因数校正在国内外正引起广泛的注意。 有源功率因数校正可以采用许多方法。根据变换器的电流 是否连 续， APFC 可以分为不连续导电模式 (DCM)和连续导电模式 (CCM)可以采用恒频、变频、等面积等控制方式 ;CCM 模式有峰值电流控 制、平均电流控制、滞环电流控制等直接电流控制方式和间接电流控 制方式。其中平均电流控制方式具有总谐波失真 (THD)和电磁干扰小，对噪声不敏感，开关频率固定等特点，适用于大功率应用场合，是目前 PFC应用中最多的一种控制方式。电力电子中的各种基本拓扑 (Buck,Boost, Buck-Boost, Flyback, Sepic, Cuk等 )原则上都可以作为 PFC的主回路，但由于 Boost拓扑结构具有输入电流连续，容易控制波形并降低传导噪声等优点，在实际中应用广泛。在这里采用了平均电流控制方式的 Boost变换器。 2.2 Boost 变换器 2-2 (a) Boost 变换电路原理 nts 13 (b)由 MOS管和二极管组成的 Boost电路 Boost变换器是一种升压变 换器，线路如图 2-2所示由开 图关 S，电感 L，电容 C组成，完成 把电压 Vs升到 Vo的功能。假定图中的所有元器件都是理想元 件，并且输出电压的纹波与输出 电压的比值小 到可以忽略。 2.2.1 工作原理 当开关 S在位置 A时，如 图 1-2 (a)电流 iL流过电感线圈 L，在电感线圈未饱和前， 电流线性增加，电能以磁能形式 储存在电感线圈 L中。此时，电容 C放电， R上流过电流 Io, R两端为输出电压 Vo，极性上负下正。由于开关管导通，二极管阳极接 Vs负极，二极管承受反向电压，所以电容不能通过开关管放电。开关 S转到位 置 B时，由于线圈中的磁场将改变线圈 L两端的电压极性，以保持 iL不变。这样线圈 L磁能转化成的电压 VL与电源电压 Vs串联，以高于 Vo电压向电容 C、负载 R供电。高于 Vo时，电容有 充电电流 ;等于 Vo时，充电电流为零 ;当 Vo有降低趋势时，电容向负载 R放电，维持 Vo不变。 由于 VL十 Vs向负载 R供电时， Vo高于 Vs，故称它为升压变换器。 工作中输入电流is=iL是连续的。但流经二极管 DI电流却是脉动的。 由于有 C的存在，负载 R上仍有稳定、连续的负载电流 Io. 2.2.2 电路各点的波形 按 iL在周期开始时是否从零开始，可分为连续工作状态或不连续工作状态两种模式。波形图各如图 2-3 (a)， (b)所示。其中 Is,Io分别为输入输出的平均电流， Vs为输入电压。 nts 14 图 2-3 (a)电感电流连续 (b)电感电流不连续 在 iL连续工作状态，开关周期 Ts最后的时刻电流 Ia值， 就是下一个 Ts周期中电流iL的开始值。但是，如果电感量太小，电流线性 下降快，即在电感中能量释放完时，尚未达到开关管重新导通的时刻，因而能量得不到及时的补充，这样就出现了电流不连续的工作状态。 在要求相同功率输出时，此时开关管和二极管的最大瞬时电流比连续 状态下要大，同时输出电流电压的纹波也增加。 在连续状态下，输入电流不是脉动的，纹波电流随 L增大而减小。 不连续工作状态时，输入电流 iL是脉动的， MOS管输出电流 iL不管连 续或不连续工作方式却总是脉动的。而且，峰值电流比较大。另外， 在不连续时， D2Ts的时间内， L从输出端脱离，这时只有电容 C向负 载提供所需的能量。因此，要求比较大的电容 C，才能适应输出电压、 电流纹波小的要求。 2.2.3 电压增益 下面分析开关闭合和断开的情况与输出电压的关系。在图 1-2中设开关动作周期为 Ts，闭合时间为 tl=DlTs，断开时间为 t2-tl=D2Ts。 D1为接通时间占空比， D2为断开时间占空比，它们各自小于 1,连续状态时 D1+D2=1。 在输入输出电压不变的前提下，当开关 s在 A位时， iL线性上升， 其电感电流增量nts 15 为 : TsDLVsiL 11 ； 开关在 B位时， iL线性下降，其增 量为 : TsDL VsVoiL 22 ,由于稳态时这两个电流变化量绝对值相等 所以 L TsDVsVoL TsV sD 2)(1 (2-12) 化简得电压增益为 : 2111 1 DDVsVoM (2-13) D2小于 1，所以 M总是大于 to。 同理 可得电感电流不连续状况下的电压增益 : 2 21D DDVsVoM (2-14) 以上的分析都是在理想情况下完成的 ，由于电感、电容的寄生电阻的影响，当接通比Dl大于 0.8在 D1继续增加时 M反 而会下降。由理论计算可得，当 074.0LCL RTsL ，无论 M或 D如何变化，都工作在连续区域中。本次实验采用 L=0.53mH，负载电 阻 400R ,开关频率 Ts =12.5us(80kHz)时，计算得 1 =0.106，工作于 电感电流连续状态。 图 2-4 功率因数校正原理 nts 16 图 2-5 输入电压、电流波形 2.3 功率因数校正原理 以 Boost 拓扑为主回路的 PFC 电路如图 2-4 所示。交流输入经过全桥整流后输入 Boost 变换器，控制电路控制开关的状态使输入电流呈正弦波形及输出电压恒定。 PFC控制电路主要由电压误 差放大器、电流误差放大器、乘法器和 PWM驱动组成。控制的日标是使输入电流紧密地跟随输入电压的变化，并使输出纹波尽可能的小。注意到它取消了以前紧跟在整流桥后面使输入电流波形恶化的滤波电容。为了使输入电流跟随输入电压变化，控制电路对输入电压波形采样，采样信号作为乘法器的一个输入 :为了保持输出电压稳定，输出电压经分压、比较和误差放大后作为乘法器的另一个输入，于是乘法器的输出具有输入电压的形状且其幅度由 输出电压控制。乘法器的输出作为输入电流的基准信号。采样输入电 流，和这个基准比较，经误差放大后输入PWM 比较器， PWM 输出驱动波形控制变换器工作。闭环反馈控制的结果使输入电流的平均值与输入 电压成正比，从而达到较高的功率因数。输入电压、电流波形如图 2-5所示。为了理解方便，图中的纹波电流己被放大，而且实际的 PFC 变换器工作频率很高，电流折线是看不出来的。 PFC变换器的输出中含有二次谐波的纹波电压，这与变换器的拓扑 结构和控制方式无关。图 1-6给出了输入电压、输入电流、输入功率 nts 17 图 2-6 输入电压、电流、功率及输出电压纹波 和输出纹波的波形图。 设输入电压为 tUtum sin)( , 输入功率因数为 1,则输入电流为tIti m sin)( ,于是输入功率为 )2c o s1(21)()()( tIUtitutP mmm ,输入平均功率为mm IUP 21,输出功率 1)()()()( 2RUUdtUUdUUCtP o m po D Co m po D Co m po D ComLo D Co m po D C RUdtdUCU2 (2-15) 式中 L 为输电压直流出分量 ,ompU为输 出电压纹波。所以输出平均功 LODCO RUP /2, 令OI PP , )()( tPtPomm 得 dtdUCUtIU o m po D Cmm 2c o s21 (2-16) tCRUtULo D Co m p 2s in2)( (2-17) 图 2-7 PWM 比较器输入波形及电感上 的电流波形 可见，输出纹波为与输出电容和负载大小有关的二次谐波。 PWM 驱动波形的生成几乎无一例外地使用了 PWM 比较器，即误差放 大器的输出和锯齿波 (或三角波 )进行比较并锁存。为了使控制电路稳定地工作，电流环必须被正确地补偿。图 2-7 显示了电流误差放 大器的输出和锯齿波比较的波形，以及电感上(也就是输入回路 )的 电流波形。电感上的电流上升斜坡乘上电流环在开关频率下的增益不 能超过锯齿波的斜坡，否则电路将不能稳定地工作在许多 PFC 电路 中，为了提高输出电压对交流输入电压变化的动态响应能力，还设置 了前馈电压。取前馈电压正比于输入电压的有效值，其平方后的倒数作为乘法器的第三个输入，于是乘法器的输出也即电流环的基准信号 (在一个半波周期内 )为 : mo D CR M Smo D Cr e f U tUkU tUUkti s in2s in)( 121 (2-18) 式中 为交流输入的有效值， k 为比例因子。而输入电流与基准信号 是成正比的，所以输入电流为 : nts 18 moD CU tUkti sin2)( 2(2-19) 式中 为比例因子。所以输入功率为 : tUkU tUktUtitutP o D Cmo D Cm 222 s ins in2s in)()()(
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