变频空调APFC电路设计

目录 设计总说明 I INTRODUCTION I 第 1 章 绪 论 1 1 1 谐波电流对电网的危害 1 1 2 功率因数校正 PFC 技术研究的意义 2 1 3 功率因数校正技术的发展及现状 3 第 2 章 功率因数校正技术 4 2 1 功率因数及总谐波畸变的概念及描述 4 2 2 无源功率因数校正技术 4 2 3 有源功率因数校正 APFC 5 第 3 章 变频空调 APFC 电路设计 7 3 1 APFC 电路控制方式设计选择 7 3 2 主电路设计 10 3 21 输入端保护电路设计 10 3 22 高压电容设计 11 3 23 整流电路设计 11 3 24 电感的设计选择 12 3 25 功率二极管设计 12 3 26 功率开关管设计 13 3 27 输出电容的设计 14 3 3 控制电路设计 15 3 31 控制芯片的选取 15 3 32 控制芯片引脚描述 16 3 33 器件参数选择计算 17 3 34 软启动电路设计 17 3 35 驱动电路设计 17 3 36 电流取样电路设计 18 3 37 前馈电压端口设计 19 3 38 电压环设计 19 3 39 电流环设计 20 3 4 过流保护设计 22 目 录 3 5 欠压 过压保护设计 22 3 6 驱动电路设计 22 第 4 章 BOOST 型 APFC 电路基于 MATLAB 的仿真分析 24 4 1 MATLAB 功能介绍 24 4 2 APFC 仿真 27 4 3 仿真结果分析 29 第 5 章 实验波形及分析 30 5 1 APFC 实验波形 30 5 2 APFC 实验分析 31 第 6 章 总结与展望 33 6 1 设计总结 33 6 2 未来展望 33 鸣谢 34 参考文献 35 作者简介 36 附录 37 设计总说明 近几十年来 由于大功率电力电子装置的广泛应用 使公用电网受到谐波电流和谐波电压 的污染日益严重 功率因数低 电能利用率低 为了抑制电网的谐波 提高功率因数 人们通 常采用无功补偿 有源 无源滤波器等对电网环境进行改善 近年来 功率因数校正技术作为 抑制谐波电流 提高功率因数的行之有效的方法 备受人们的关注 在直流变频空调中 其 AC DC 变换大都采用二极管整流和大容量电容器组成的整流滤波单元与供电电网直接相连 其功 率因数一般为 0 7 左右 同时输入电流谐波大 特别是奇次谐波尤为突出 本设计的目标为设计一个 250W 电源功率因数能达到 0 9 以上的 APFC 电路 包括主电路 控制电路还有保护电路的设计 在参阅国内外文献的基础上 参考了近年来国内外功率因数校 正的发展状况 简要分析了无源功率因数与有源功率因数的优 缺点 并详细分析了有源功率 因数校正的基本原理和控制方法 在通过对主电路拓扑与控制方法的优 缺点比较后 选择 BOOST 变换器作为主电路拓扑 采用基于平均电流控制的 UCC3817 控制器 设计了容量为 250W 的有源功率因数校正电路 计算分析了主电路的各个元器件的参数 主电路的保护电路的参数 计算及各个元器件的选型 控制电流芯片的选择 电压电流采样反馈电路的设计及参数计算 并在 MATLAB 环境下对功率因数校正前 后的电路进行了仿真 通过仿真波形的分析和各个元件 参数的分析设计 进一步验证了本设计原理的正确性与准确性 并通过实验 对变频空调主板 里面的有源功率因数校正环节进行波形测试和元件参数校正 使得输入电流波形接近正弦波 主板的 EMI 实验符合国内外相关的标准 本文功率因数校正电路的设计 使电路的功率因数得 到了明显的改善 达到了设计要求 同时电路的总谐波畸变因数控制在了一定的范围 减少了 对电网的污染 并且电路的输出电压稳定 为后一级的电路设计奠定了基础 关键词 有源功率因数校正 UCC3817 BOOST 变换器 平均电流控制 INTRODUCTION The harmonic for voltage and current lower Power factor and lower Power effieieney of Public Power system is serious inereasingly beeause of much big Power electronic equipment in resent years Usually reactive comPensation filters for active and reactive were used to improved power system in order to control harmonic and imProve Power factor of Power system But the Power factor correction technique is researeh beeause it is an effeetive method to control harmonic and imProve Powe rfactor by reeent years the application in fuzzy conversing air condition The transformation uses the most is that AC DC a rectification and volume of this unit of the capacitor based directly connected with the power supply network the power factor in general about 0 7 and the harmonic currents especially a time harmonics is particularly outstanding The design target is design a 250w the power factor is 0 99 APFC Circuit including main circuit control circuit and protect circuit The text refer to the domestic and international texts on the basis of the power factor in recent years and caused a brief analysis of development the source of power factor and the source of power factor faults and detailed analysis of the power factor to the source of the basic principle and control Through to the main circuits to control the topology shortcomings are choosing a boost to vary as the main circuit topology the average controlled based on current ucc3817 controller a capacity for 250w the source of electrical power factor calculation caused the main circuits to control circuit element argument Through Matlab in the context of combat power factor of a simulation of a circuit by simulation waveforms analysis further verify the accuracy and precision of design principles The power to match circuits design factors of electrical power of the factors that have been a marked improvement the circuit design requirements and the harmonic distortion factor in a certain extent reducing to a network of pollution of the circuit and steady output voltage to the circuit design laid the foundation KEYWORDS UCC3817 BOOST CURRENT CONTROL THE AVERAGE 有源功率因数校正 APFC 电气工程及其自动化专业 200611631201 陈彬 指导教师 刘丹 第 1 章 绪 论 1 1 谐波电流对电网的危害 在人民日常生活中 一般的电源 如市电 要经过转换才能符合使用的需要 二十世纪 八十年代以来 随着电力电子技术的不断发展 越来越多的电力电子设备被广泛应用到各 种不同的领域 促进了国民经济建设 但是大功率电力电子装置的使用以及各种非线性负 载的增加 使电力系统波形畸变日益严重 公用电网受到谐波电流和谐波电压的严重污染 大多数装置功率因数低 致使电网中的谐波污染日益严重 并影响到供电质量和用户使用 的安全性 伴随着信息时代对电能质量越来越高要求 电网谐波污染的治理越来越多的受 到关注 特别是现在提倡 绿色电源 要求装置对电网无污染 主要包括谐波含量 功率 因数 波形畸变等 解决这个问题的积极方法是采用功率因数校正 Powe FactorCorrection PFC 技术 因此 功率因数校正技术也日益成为研究热点 1 现在的电力系统中 大量使用整流电路给人们解决了很多问题 但同时又引入了新的 问题 其中最严重的问题就是使电网含有严重畸变的非正弦电流 这样的谐波电流对电网 有危害作用 使得输入端的功率因数下降 从 220V 交流电网经整流滤波后供给直流负载是 电力电子技术及电子仪器中应用极为广泛的一种基本变流技术 电子设备的整流部分常采 用二极管桥式整流 电解电容进行输入滤波 如图 1 一 1 a 所示 整流器一电容滤波电路 是一种非线性元件和储能元件的结合 因此 虽然输入交流电压 ui 是正弦的 只在输入 电压的峰值时才有输入交流电流 Iin 它是一个时间很短 峰值很高的周期性尖峰电流 波形严重畸变 如图 1 一 1 b 所示 由此可见 大量应用整流电路 会使电网供给的输入电流严重畸变 对这种畸变的输入电 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 2 流进行傅立叶分析 把输入电流用傅立叶级数分解可得如下表达式 1 1 式中 I1 为基波分量 I3 I5 分别为三次和五次谐波分量 由于输入电流是一个奇函数 所以 表达式中只有奇次谐波 由上面分析可知 输入电流中除含有基波外 还含有丰富 的奇次高次谐波分量 这些高次谐波倒流入电网 引起严重的谐波 污染 造成严重危害 其主要危害有 l 谐波电流在输电线路阻抗上的压降会使电网电压 原来是正弦波 发生畸变 影响各种电 气设备的正常工作 2 谐波会造成输电线路故障 使变电设备损坏 3 谐波影响用电设备 例如 谐波电流对电机除增加附加损耗外 还会产生附加谐波转矩 机械振动等 这些都严重影响电机的正常运行等 4 谐波会对通信电路造成干扰 电力线路谐波电流会通过电场耦合 磁场耦合和共地线耦 合会对通信电路造成影响 1 2 功率因数校正 PFC 技术研究的意义 为了减小 AC DC 变换电路输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波 污染 以 保证电网供电质量 提高电网的可靠性 同时也为了提高输入端功率因数 以达到节能的 效果 必须限制 AC DC 电路的输入端谐波电流分量 一些世界性的学术组织或国家己经颁 布或实施了一些输入电流谐波限制标准 如 IEC555 2 IEEE519 IEC10OO 3 2 等 因此 使用功率因数校正 Powe Facto correction PFC 技术把谐波污染控制在相应的标准要求 范围之内以成为当务之急 2 进入二十一世纪 PFC 技术的研究方兴未艾 特别在我国 对于这方面的要求和标准 规范还不健全 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 BELLCO 既 001089 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 lC 厂家的积极努力 推动了 PFC 技术的发展 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 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 3 1 3 功率因数校正技术的发展及现状 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 相位差为小 功率因数 PF cos中 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 产生电网谐波 才引起人们的重视 当时对于功率因数校正技术的研究 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 进入上个世纪八十年代 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 PFC 技术的发展提供了空间 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 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 ActivePowerFactorCorrection 简写成 APFC 技术应运而生 3 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 其 PF 值达到 0 99 THD 8 我国从 1994 年 3 月开始执行国家标准 GB T14549 93 电能质量 公用 电网谐波 通过几十年的发展 功率因数校正技术的主电路拓扑不断改进 功率因数校正技术中 的硬开关技术和单相功率因数校正技术已经日渐成熟 并被人们广泛应用于生产实践 取 得了理想的效果 所以 近几年来功率因数校正技术的研究热点和重点主要集中在以下几 个方面 新拓扑的提出 软开关技术的应用 三相功率因数校正技术的研究以及控制方法的 提出 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 4 第 2 章 功率因数校正技术 2 1 功率因数总谐波畸变的概念及描述 在 AC DC 整流电路中 功率因数 PF 定义为有功功率 P 与视在功率 s 的比值 用公式表 示为 2 1 式中 I1 表示交流输入市电的基波电流有效值 Irms 表示交流输入市电电流的有效值 表示交流输入市电电流的波形畸变因数 cos表示交流输入市电的基波电压和1 rmsII 基波电流的相位因数 电流的总谐波畸变因数 THD 可表示为 16 2 2 2 3 2 4 由上式可以看出 当交流输入市电的电压 电流同频和同相位时 即 cos 1 功率因数 只与总谐波畸变因数有关 所以 控制交流市电输入电流的谐波有助于改善电路的功率因 数 减小对电网的谐波污染 目前 通常采用功率因数校正技术来改善开关整流电路的功率因数 具体可以通过两 个途径来实现 l 使输入电压 输入电流同相位 此时 cos 1 PF 2 使输入电流正弦化 即谐波为零 1 即 PF 1 从而实现功率因数校正 2 2 无源功率因素校正技术 PFC 技术根据是否采用有源器件可以分为无源 PFC PassivePFC 技术和有源 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 5 PFC ActivePFc 技术 无源 PFC 是采用无源器件 如电感和电容组成的谐振滤波器 实现 PFC 功能 图 2 1 有源 PFC 技术采用了有源器件 如开关管和控制电路 实现 PFC 功能 最早的 PFC 技术是采用电感和电容构成的无源网络进行功率因数校正 即采用无源元 件 L C 和二极管组成的网络 来延缓 MOSFET 的 du dr 和二极管的 di dr 从而减小开通 损耗和反向恢复损耗 来改善输入功率因数 典型的无源功率因数校正电路如图 2 1 所 无源功率因数校正常采用无源元件 L C 组成低通 带通滤波器 工作在交流市电工作频率 50 60Hz 将输入电流波形进行相移和整形 采用这种方法 可以使 PF 达 0 9 以上 但 由于工作在市电工作频率 L C 元件的体积比较大 因而组成的无源功率因数校正电路部 分的体积比较大 L C 无源功率因数校正具有结构简单的优点 但是它的补偿特性易受电 网阻抗 负载特性的影响 并且会由于和电网阻抗发生谐振而造成电路元件的损坏 不能 对谐波和无功功率因数实现动态补偿 2 1 无源功率因数校正电路 2 2 无源功率因数校正电路电压电流波形 2 3 有源功率因数校正 APFC 有源功率因数校正 APFC 技术是在整流桥和负载之间接入一个 DC DC 变换器 采用电 流反馈技术使输入端电流跟踪交流输入的正弦电压波形 其输入电流 THD 可以降到 5 以下 而功率因数可提高到 0 99 以上 其基本工作原理是通过控制电路强迫交流输入电流波形跟 踪交流输入电压波形 从而实现交流输入电流波形正弦化 并与交流输入电压波形同步 其作用相当于一个纯电阻 由于采用了有源器件如 MOSFET 等 因而称之为有源功率因数正 5 有源功率因数校正 APFC 与其它转换式电源一样 是通过脉宽调制来实现的 单相 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 6 APFC 电路可以采用多种拓扑结构实现 如升压 降压等 有源功率因数校正电路主拓扑及 比较 2 2 3 降压式 BUCK 2 4 升一降压 BOOST 一 BUCK 2 5 升压电路 BOOST l 降压式 BUCK PFC 噪声 纹波 大 滤波困难 开关管上电压应力大 2 升一降压 BOOST 一 BUCK PFC 需用两个电子开关 电路比较复杂 采用比较少 3 升压电路 BOOST 结构简单 控制器容易实现 且输入电流连续 传导噪声较小 因 此通常采用升压拓扑结构构建单相 PFC 其结构通常是在桥式整流之后增加一个升压电路 通过功率开关元件的开关作用 使输入的电流变成与电网电压几乎完全同相的正弦波 电 流畸变率降到 5 以下 功率因数提高到 0 99 或更高 本设计采用有源功率因数校正 Active Power Factor Corrector APFC 芯片 UCC3817 主要是在整流滤波和 DC DC 功率 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 7 级之间串入一个有源 PFC 作为前置级可将电源的输入电流变换为与输入市电同相位的正弦 波 从而提高电器设备的功率因数 减少对电网的谐波污染 实现 DC DC 级输入的预稳 用作 PFC 电路的功率级基本上是升压型 Boost 变换器 它具有效率高 电路简单 适用电 源功率高等优点 可将功率因数提高到 O 99 以上 5 第 3 章 变频空调 APFC 电路设计 3 1 APFC 电路控制方式设计选择 为设计一个 250W 电源功率因数能达到 0 9 以上的 APFC 电路 需要对不同结构的 APFC 电路进行选择根据 APFC 电路输入检测和控制方式的不同 用升压变换器构成的 APFC 电路 图 3 1 可分成 电感电流不连续模式 DCM 图 3 2 工作和电感电流连续模式 CCM 图 3 3 工作两大类 CCM 模式 输入电流和输出电压的纹波都比较小 但控制复杂 开关损 耗较大 制作成本也比较高 一般适用于大功率 大电流的产品中 DCM 模式的缺点 输 入电流的纹波比较大 因而开关损耗很大 使开关的使用寿命降低 输出电压的纹波也比 较大 对负载有一定的影响 一般只适用与对功率因数要求不高 功率较小的场合 13 1 在 CCM 模式下常用的控制方法有三种 即峰值电流型控制 滞环电流型控制和平均 电流型控制 6 1 电流峰值控制 图 3 4 电流峰值控制是指电感 输入 电流的峰值包络线跟踪输入电压 Uoc 的波形 使输入电 流与输入电压同相位 并接近正弦波 该控制方法中检测的电流是流过开关管中的电流 用于 40 W 至 300 W 电路中 2 电流滞环控制电流滞环法控制 图 3 5 电流滞环控制电流滞环法控制与电流峰值法控制的差别只是前者检测的电流是电感电 流 并且控制电路中多了一个滞环逻辑控制器 逻辑控制器的特性和继电器特性一样 有 一个电流滞环带 所检测的输入电压经分压后 产生两个基准电流 上限与下限值 当电感 电流达基准下限值 imin 时 开关管导通 电感电流上升 当电感电流达基准上限值 imax 时 开关管关断 电感电流下降 开关频率要求高 开关损耗大 3 平均电流型控制 图 3 6 平均电流型控制以整流器输出电压和电压环的误差放大电器输出电压为电流内环的基 准输入 反馈输入电流信号可通过回路中的取样电阻直接检测 与电流基准信号运算后 其高频分量在电流误差放大环节被平均化处理 放大的平均电流误差与一定振幅的锯齿波 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 8 比较后 决定了功率开关驱动信号的占空比 于是 电流环调整输入电流的平均值 使与 整流器输入电压同相位 并且为正弦波 电压环的控制使升压电路的输出电压恒定 对后 级起到预稳压的作用 在平均电流型控制模式下 工频输入电流的瞬时值是高频电流的平 均值 由于电流误差放大器的存在 电感电流峰值和平均值的误差很小 这个平均值和输 入电压的关系是线性的 因此容易获得良好的谐波抑制效果 而且 由于误差电压是和一 个较大振幅的锯齿波相比较 提高了系统的噪声容限 即使在极低的负载时 电路工作在 CCM 模式 电流误差放大器高的增益也能使占空比在大范围内变化 保持电感平均电流和 输入电源电压的线性对应关系 频率固定 用在 300W 以上负载 3 1 BOOST APFC 原理图 3 2 电流断续 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 9 3 3 电流连续 图 3 4 峰值电流控制模式 图 3 5 滞环电流控制模式 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 10 图 3 6 平均电流控模式 2 功率因数校正方法比较 表 3 1 无源 PFC有源两级 PFC有源单级 PFC 总谐波含量 THD 高低中 功率因数 PF 低高中 效率高中低 体积中大小 重量重轻轻 储能电容电压变化恒定变化 控制简单负责简单 器件数量很少多中 功率范围200 300w不限200 300w 设计难度简单中复杂 表 3 1 通过以上的介绍 对不同的功率因数校正方法已经有了一个比较完整的认识 为了选择一 种功率因数校正方法 适用于中 高功率 且功率因数要求比较高 谐波要求比较严格的 场合 我们势必要选择一种相比较其他校正方法 更为优秀的功率因数校正方法 在前面 的分析中 我们对有源功率因数校正技术的主要控制方法做了详细的分析 从而本文也将 采用平均电流控制方法 利用目前市面上的集成电路 UCC3817 设计电路 达到对功率因数 校正的目的 5 3 2 主电路设计 3 21 输入端保护电路设计 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 11 图 3 7 保护电路 3A 保险管 F1 及压敏电阻 R22 压敏电阻的耐压值为 270V 符合设计要求 压敏电阻的结 构就象两个特性一致的背靠背联接的稳压管 其性质基本相同 压敏电阻的主要特性是 当两端所加电压在标称额定值以内时 它的电阻值几乎为无穷大 处于高阻状况 其漏电 流 50 微安 当它两端的电压稍微超过额定电压时 其电阻值急剧下降 立即处于导通状 况 工作电流增加几个数量级 反应时间仅在毫微秒级 所以当过压的时候 压敏电阻将 短路 接着保险管 F1 熔断 如果电压没有超过 270V 但电流超过 3A 保险管也会熔断 保护电路 3 22 高压电容设计 图 3 8 高压电容 电容 C13 C14 分别选用 600V 0 47uF 和 400V 0 01uF 无极性电容 主要是为了滤除开关管 工作产生的震荡电流对电网的污染 减少谐波污染 3 23 整流电路设计 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 12 图 3 9 整流电路 整流桥选用 RS808 桥堆 RS808 最大电流为 8A 电压 800V 而对于 220V 的电网电压经过 整流桥整流 电压峰值为V 远远小于 800V 而电路的最大电流为 4A 因此其3142220 参数符合设计要求 并留有很大的裕度 确保器件安全 3 24 电感的设计选择 图 3 10 电感电路 影响电压峰值的占空比有以下三个因素 第一 PFC 电路的输入电流含有大量的高频纹波 电流 输入电流的纹波过高会增加输入滤波器的负担 第二 由于高频纹波电流叠加在电 感电流上 所以功率器件的容量是峰值电感电流加上二分之一的纹波电流峰峰值 第三 过小的电感值容易使 PFC 电路电感流在不连续状态下工作 考虑上面三个因素 首先计算在最低输入电压峰值 最大占空比时最小电感量 9 升压电感的计算公式 3 1 交流输入的最小电压 min INV85RMSV D 最大占空比 0 688 电感的纹波电流 图 限制在 875mAI 开关频率 100KHZ 1mHBOOSTL 电感材料 磁粉心的饱和磁通密度高达10T 10000Gs 左右 在强磁场条件下 即工 min IN BOOST s VD L If 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 13 作在大电流时 磁心不易饱和 制作APFC电感 不用开气隙 不会对电路产生电磁干扰 EMI 而且由于其直流偏磁动态线性相当好 通过设计计算可以精确地控制在额定电流 时的电感值 恰当选择磁心尺寸和线圈匝数 还能得到满意的磁心损耗的结果 3 25 功率二极管设计 升压二极管 D1 选用 FR307 这是 3A 1000V 的超快恢复二极管 它的反向恢复时间为 500ns 另外 启动时为了保护升压电感 并联旁路二极管 D2 选用 IN5408 可以承受 1000V 电压 3A 电流 选用超快恢复二极管是为了防止开关管导通的时候 储能电容对开关管反 向充电 使开关管损耗增大 图 3 11 3 26 功率开关管设计 IRF840 MOSFET 电力场效应晶体管在导通时只有一种极性的载流子 多数载流子 参与 导电 是单极型晶体管 电力场效应晶体管是用栅极电压来控制漏极电流的 因此它的一 个显著特点是驱动电路简单 驱动功率小 其第二个显著特点是开关速度快 工作频率高 电力 MOSFET 的工作频率在下降时间主要由输入回路时间常数决定 MOSFET 的开关速度和 其输入电容的充放电有很大关系 使用者虽然无法降低 Cin 的值 但可以降低栅极驱动回 路信号源内阻 Rs 的值 从而减小栅极回路的充放电时间常数 加快开关速度 IRF 840 为 单极型器件 没有少数载流子的存储效应 输入阻抗高 因而开关速度可以提高 驱动功 率小 电路简单 但是 功率 MOSFET 的极间电容较大 因而工作速度和驱动源内阻抗有关 7 IRF840 管脚描述 G 极为门极 输入 PWM 控制脉冲 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 14 D 极为漏极 S 为源极 主要参数 Drain Source Voltage 500V DS MAXV Gate Source Voltage GS MAX V 20V Repetitive Avalanche Current AR MAX I 8 0A Peak Diode Recovery dV dt dV dt 3 5ns 主要特性曲线 图 3 12 图 3 12 特性曲线 从以上描述可以得出 IRF840 最高耐压 500V 最高电流 8A 二极管反向恢复时间 3 5ns 完 全符合本计要求 3 27 输出电容的设计 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 15 图 3 13 输出电容电路 选择输出电容时要考虑到的因素有 开关频率纹波电流 二次谐波纹波电流 直流输出 电压 输出电压纹波 维持时间 流过输出电容器的总电流是开关频率纹波电流的有效值 和线路电流的二次谐波 通常选择长寿命 低漏阻 能耐较大纹波电流 且工作范围较宽 的铝电解电容 耐压的选择应留有充分的余量 以避免超负荷工作 在选择输出电容时 输出电压的维持时间常常是最重要的因素 电容的维持时间是指在输入电源被关闭之后 输出电压仍然保持在规定范围内的时间长度 本设计就以维持时间的长短为基准 计算输 出电容值 维持时间是以下电参量的函数 储存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 在规定范围内 电容的维持时间的典型值为 15ms 45ms 本文取维持时间 16ms 则最小电容值计算为 3 2 250OUTPW 16tms 385OUTDCVV 其中 VO min 为下一级负载允许的最低输入电压 对功率因数校正装置来说 电容的选取 一般按输出功率的大小 每瓦约需 0 5 2 F 250W 为 500 F 因此根据上述要求所选电 容容量为两个 470 F 450V 电容并联 而且两个电容并联比单个同容量的电容有更宽的频 带 谐振频率更大 相应的寄生电感跟寄生电阻比单个电容小的多 大大减少了 EMI 3 3 控制电路设计 3 31 控制芯片的选取 UCC3817 是 APFC 专用控制电路 该控制器采用平均电流型控制 控制精度高 开关噪 声低 当 APFC 电路输入电压在 85 265V 之间变化时 输出电压还可以保持稳定 具有过电 流 过电压保护功能 软启动 因此也可作为 AC DC 稳压电源 此外 由于 UCC3817 采用 推挽输出级 输出电流可达 1A 因此输出的 PWM 脉冲可直接驱动功率 MOSFET 管 功率因 数达到 0 99 以上 THD 5 适用于任何特性的开关器件 16 UCC3817 芯片集成电路的内部结构如图 3 14 所示 它为电源提供有源功率因数校正 还 按正弦的电网电压来钳制非正弦的电流变化 能最佳的利用供电电流使电网电流失真最小 UCC3817 主要包含了一个电压放大器 一个模拟乘法器 一个电流放大器 一个恒频脉宽 调制 PWM 另外 UCC3817 还包含了一个功率兼容的栅极驱动器 7 5V 参考电压 和过流 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 16 比较器等等 图 3 13 UCC3817 内部原理图 图 3 14 UCC3817 封装图 3 32 控制芯片引脚描述 GND 参考地 所以芯片引脚的电压都以此引脚为参考 VCC 和 VREF 引脚必须经过 1uf 的陶瓷电容跟地连接 PKLMT 过流保护引脚 当 PKLMT 引脚的电压小于 0V 芯片将自动关闭 CAOUT 电流放大器的输出端 此端口跟 PWM 比较器比较 产生校正脉冲 进行电流 校正 CAI 电流放大器的正向输入端 进行母线电流采样 乘法器从电流放大器的方向输入 端输入 两者产生电流校正信号 MOUT 乘法器的输出端 IAC 参考电流输入端 从整流桥输出端引入馒头波参考电流 IAC max 500uA VAOUT 电压放大器输出端 内部控制此端口的最大输出为 5 5V 防止电压过冲 VFF 前馈电压 V F F 端电阻和电容构成低通滤波器 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 17 VREF 参考电压 电压参考值为 7 5V OVP EN 欠压 过压保护 端口电压低于 1 9V 芯片自动关闭欠压保护 当端口电压高 于 8 0V 芯片过压保护 VSENSE 母线电压输出反馈端 输出电压稳定是 此端口电压为 7 5V RT 振荡器电阻 PWM 震荡频率 f 0 725 RT CT 3 4 SS 芯片软启动 使 PWM 调制波慢慢上升 防止电压过冲 CT 振荡器电容 PWM 震荡频率 f 0 725 RT CT 3 5 VCC 芯片电源 门槛电压为 16V DROUT PWM 输出端口 驱动端口 栅极连续驱动电流为 0 2A 最大栅极驱动电流为 1 2A 50 占空比时 输出电流为 1A 3 33 器件参数选择计算 1 开关频率的设计选择 11 开关频率高可以减小功率电路的体积和重量 并使系统动态响应加快 减小电流的失 真与畸变 另一方面 在开关高频率工作的同时 由于开关管和二极管工作在硬开关状态 频率越高损耗越大 电路的效率就越低 且随着频率的提高 有些器件已经不能看作是集 总参数元件 必须看作分布参数器件 作为电路的假设条件已经不能满足 电路问题转换 为电磁场问题 甚至在某些频段出现不需要的振荡 从这种角度考虑 选择的频率要低一 些 在大多数情况下 开关频率选择在 20 300kHz 之间 都是可行的折中范围 综合考虑 上述因素 变换器的开关频率选为 100kHz 14 3 34 软启动电路设计 UCC3817 具有软启动的功能 即脉宽调节器的输出脉宽从零开始逐渐增至最大值 以 减小启动时输出电压过冲 通过在芯片的软启动端接入电容实现 软启动时间可通过软启 动电容 C4 设置 软启动公式为 3 6 图 3 15 软启动电容 C4 设计 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 18 本文中软启动电容为 0 01 F 软启动时间为 7 5ms 3 35 驱动电路设计 图 3 16 驱动电路设计 MOSFET 栅极驱动电路设计得是否合理直接决定变换器的性能 UCC3817 栅极连续驱动 电流为 0 2A 最大栅极驱动电流为 1 2A 因此在中小功率的 PFC 应用中 UCC3817 自身的 驱动能力足够了无需再加驱动电路 3 36 电流取样电路设计 图 3 17 电流采样电路 通常有两种方法检测电流的方法 一种是在变换器接地线返回端串联一个取样电阻来 检测输入电流 另一种是采用电流互感器 但是由于采用取样电阻检测输入电流要比电流互 感器成本低 它主要使用于功率和输入电流较小的场合 故本设计选用此方法来检测输入 电流 电流取样电阻 R14 压降作为输入电流取样信号 通过电流环节的调节 使输入14U 电流波形成正弦波 电流取样电阻 R14 上的电压的典型值为 1V 电路最大电流值 I 设置为 4A 阻值计算 3 7 14U R14 I 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 19 得 R14 0 25 5W 8 乘法器参数设计 乘法器的输出作为电流环调节器的输入 控制输入电流以得到高的功率因数 起输出 表达式 3 8 其中 K 1 V 为乘法器输出信号 为电流信号输入 为电压误差放大器输出信号 MOUIIIACIVAOUTV 为前馈电压信号 VFFV 电源电压输入范围为 85V 265V 3 500IAC MAXIuA 9 750K 用两个 383k 的 1 4W 的电阻串联代替 R13 R21 383kACR 前馈电压 5V 5VVFFVVAOUTV 315 3 10 MOUTI uA 7 5V 算得 3 91K 取 4 02K R9 4 02kSENSEVMOUIR 3 37 前馈电压端口设计 图 3 18 前馈电压端口 端电阻和电容构成低通滤波器 VFF 将 2 1 镜像 VFF 端的电流峰值为 250 电VFFVuA 流有效值为 输出端电流为 90 的电流有效值 250 2 uA 3 11 乘法器输入端电流电阻 乘法器输入端电流电容 3 12 250 0 9160 2 uA SENSE MOUI MOUT V R I 5 30 160 VFF V RK uA 1 2 2 2 30 2 6 VFFCUF K 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 20 3 38 电压环设计 电压环 图 3 19 开环是一阶积分系统 为了减少二次纹波电流引起的畸变 电压放 大器需要引入一个极点给予补偿 以减小纹波电压的幅度并提供 90 度的相移 当频率 大于极点频率时 输出纹波电压和电压调节器的增益 3 13 3 14 式中 为输出电压纹波 fR 为线电压频率为 120HZ Vopk3 91VopkV 为电压环误差放大器输出范围 UCC3817 为 5V 按照 3 的谐波畸变率 THD 有VAOUTV 0 75 的 THD 分配给这部分 也就是说电压误差放大器输出端的纹波电压应限制在 1 5 反馈电容 3 15 或用两个 500K 1 4W 的电阻串联 150nf 1INRM fC 电压环最低截止频率 3 16 此设计中 10HZ 反馈电阻 VIffR 3 17 3 18 100fRK 2 2ZCuf 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 21 图 3 19 电压放大器 3 39 电流环设计 为了使电路稳定工作 必须对电流环 图 3 20 路进行补偿 电流环的带宽一般在几 千赫兹就已足够 相角裕度为 45 70 电流环的开环为一阶积分系统 为使系统稳定 必须对系统进行校正 电流调节器的零点不高于最大截止频率 此时系统刚好有 45 的相 角裕量 为了消除系统在开关频率处对噪声的敏感度 应在电流调节器引入一极点 极点 的频率应为功率开关频率的一半 当极点频率大于功率开关频率的一半时 极点对电流控 制环的响应基本没有影响 图 3 20 电流放大器 开关频率处的电源增益 3 20 母线电流检测电阻 0 25 5WSENSER Vp 为振荡器锯齿波峰峰值 对 UCC3817 为 4V 开关频率处的电流误差放大器增益 3 21 反馈电阻 FIEARRG 电流放大器反馈电容的选择 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 22 3 22 3 23 得3 9IMOUTRRK 12FRK fc 为电流环穿越频率 等于开关频率的 1 10 为 10KHZ 1 2ZCnF 270PCpF 在设计电流环时应使其具有以下性质 1 电流环开环为一阶积分系统 应有尽可能高的低频增益 以减小稳态误差 2 应有尽可能高的穿越频率 以实现快速跟随性能 3 在开关频率处应呈现衰减特性 以消除环路中的开关噪声 4 应有足够的稳定裕量 使系统有强的鲁棒性 3 4 过流保护设计 图 3 21 过流保护电路 图中 R11 R12 为 PKLMT 端口的电阻 VREF 参考电压为 7 5V PKLMT 端口的电压 芯片进行过流保护 0PKLMTVV 假设 R12 测试点处的电压为 U 根据叠加原理 时 流过功率电阻 R14 的电0PKLMTVV 流为 4A 即本设计的过流保护电流为 4A 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 23 3 5 欠压 过压保护设计 图 3 22 欠压过压保护 当 VOUT 为 DC385V 时 端口 OVP EN 的电压值为 3 24 小于过压保护电压值 8V 单 8V 时 输出电压为 426V OVPENV 当 1 9v 时 欠压保护 输出电压为 101V OVPENV 当芯片 OVP EN 端口电压属于过压或欠压保护范围内 芯片自动关断 开关管不再起作 用 起到保护电路作用 3 6 驱动电路设计 图 3 23 驱动电路 驱动端口 DRVOUT 连续驱动电流为 0 2A 最大驱动电流为 1 2A 驱动电压为 VCC D4 为 肖特基二级管 IN5820 作为 Q1 的过压保护 IN5820 的反向击穿电压为 20V 最大反向电流 10 3857 2 24927410 OVPEN K VVV KKK 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 24 为 3A 方向恢复时间为 3ns R17 为 Q1 的限流电阻 一般大于 10即可 D9 作为 Q1 电压的 泄放电路 使 Q1 里面的结电容迅速放电 达到迅速关断的作用 第 4 章 BOOST 型 APFC 电路基于 MATLAB 的仿真分析 4 1 MATLAB 功能介绍 图 4 1 MATLAB 启动界面 MATLAB 是矩阵实验室 Matrix Laboratory 的简称 是美国 MathWorks 公司出品的 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 25 商业数学软件 用于算法开发 数据可视化 数据分析以及数值计算的高级技术计算语言 和交互式环境 主要包括 MATLAB 和 Simulink 两大部分 MATLAB 和 Mathematica Maple 并称为三大数学软件 它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指 MATLAB 可以 进行矩阵运算 绘制函数和数据 实现算法 创建用户界面 连 接其他编程语言的程序等 主要应用于工程计算 控制设计 信号处理与通讯 图像处理 信号检测 金融建模设计 与分析等领域 图 4 2 图 4 2 MATLAB 工作界面 MATLAB 的基本数据单位是矩阵 它的指令表达式与数学 工程中常用的形式十分相似 故 用 MATLAB 来解算问题要比用 C FORTRAN 等语言完成相同的事情简捷得多 并且 mathwork 也吸收了像 Maple 等软件的优点 使 MATLAB 成为一个强大的数学软件 在新的版本中也加 入了对 C FORTRAN C JAVA 的支持 可以直接调用 用户也可以将自己编写的实用程 序导入到 MATLAB 函数库中方便自己以后调用 此外许多的 MATLAB 爱好者都编写了一些经 典的程序 用户可以直接进行下载就可以用 MATLAB 的应用范围非常广 包括信号和图像处理 通讯 控制系统设计 测试和测量 财务建模和分析以及计算生物学等众多应用领域 附加工具箱 单独提供的专用 MATLAB 函数集 扩展了 MATLAB 环境 以解决这些应用领域内特定类型问题 4 2 APFC 的 matlab 仿真 APFC 功能仿真需要用到 Matlab 里面的 Simulink Toolbox 动态仿真工具箱 图 4 3 广东海洋大学 2010 届本科生毕业设计 26 图 4 3 动态仿真工具箱 Simulink 是 MATLAB 中的一种可视化仿真工具 是一种基于 MATLAB 的框图设计环境 是实现动态系统建模 仿真和分析的一个软件包 被广泛应用于线性系统 非线性系统 数字控制及数字信号处理的建模和仿真中 Simulink 可以用连续采样时间 离散采样时间 或两种混合的采样时间进行建模 它也支持多速率系统 也就是系统中的不同部分具有不 同的采样速率 为了创建动态系统模型 Simulink 提供了一个建立模型方块图的图形用户 接口 GUI 这个创建过程只需单击和拖动鼠标操作就能完成 它提供了一种更快捷 直 接明了的方式