功率校正电路设计与仿真和开关电源中变压器设计.doc

南 京 理 工 大 学电力电子系统设计与应用作业姓 名:学 号：学院(系):自动化学院专 业:电力系统及其自动化题目一:功率因数校正电路的仿真题目二:开关电源中变压器设计吕广强指导者： 2012年 1月功率因数校正电路仿真分析摘要：本文首先分析了功率因数校正的原理及方法，然后详细介绍了U3854的功能和平均电流型控制的基于UC3854的有源功率因数校正电路的工作原理，以及以matlab下的Simulink为工具对该电路的建模和仿真分析。 关键词：功率因数；平均电流控制；PFC；Matlab仿真1 引言 近年来，因开关电源应用的日益普及，给电力系统带来了严重的谐波污染和功率因数下降问题。这使功率因数校正（Power Factor Correction）技术（简称PFC）成为电力电子技术研究的一个新热点。 PFC技术的目的就是通过一定的控制方法，使电源的输入电流接近于正弦波且与输入电压同相，使功率因数接近为1。为实现这一目标，目前国际上已开展多方面的研究，并开发了一系列专用于PFC的集成电路。开关电源PFC集成控制器显示出强大的生命力，它具有集成度高，性价比高，外围电路简单和性能指标优良等优点，现已成为开发各类开关电源及开关电源模块的优选集成电路。2 功率因数校正电路的原理2.1功率因数校正的必要性图1 整流电路图一般开关电源的输入整流电路部分如图1所示在离线式开关电源的输入端，AC电源经全波整流后，一般接一个大电容器，以得到波形较为平直的直流电压整流器-电容滤波电路是一种非线形元件和储能元件的组合。图2 整流电路输入电压电流仿真图因此输入交流电压虽然是正弦的，但输入交流电流波形却严重畸变，呈脉冲状，其结果可以由如图1所示的整流电路的仿真结果得到验证。从图2可以看出，输入电流发生了严重畸变。因此，大量应用整流电路，要求电网供给严重畸变的非正弦电流，造成的严重后果是：谐波电流对电网有危害作用，另外输入端功率因数下降为了消除电流谐波和提高功率因数，必须在电路整流后加入功率因数校正电路。2.2功率因数（PF）功率因数是电源对电网供电质量的一个重要衡量指标。根据电路基本理论，功率因数（Power Factor）定义为有功功率（P）和视在功率（S）的比值，用公式表示为：式中：输入电流基波有效值；：电网电流有效值，其中，为输入电流各次谐波有效值；：输入电压基波有效值；：输入电流的波形畸变因数；：基波电压和基波电流的位移因数。称为畸变因数，它表示基波电流有效值在总的输入电流有效值中所占的比例；称为位移因数，它反映了输入电流与输入电压之间的相位差。功率因数是畸变因数和位移因数的乘积，很显然，当输入电流与输入电压是同频同相的正弦波时，有PF=1。2.3功率因数和谐波的关系为了衡量高次谐波对总输入电流的影响，定义总谐波畸变(Toatl HarmonicDistortion，THD)为:则与THD的关系为：，因此，又可推知得到功率因数的另一表达式：上式便是功率因数与总谐波畸变之间的关系，必需注意的是，上式的关系仅当输入电压为正弦波，且输入电流的基波与输入电压之间相位差为零时才成立。2.4功率因数校正的方法从本质上来讲，功率因数校正技术的目的是要使用电设备的输入端口针对交流电网呈现“纯阻性”，这样输入电流和电网电压为同频同相的正弦波，功率因数为1，不会产生谐波污染问题。由功率因数的定义和总谐波畸变与功率因数的关系可知，要提高功率因数，有两个途径：(1)使输入电压、输入电流同相位，也就是使，使相移因数。(2)使输入电流正弦化， (谐波为零），从而。综合这两种方法,就可以实现功率因数为1的目标，即。3 UC3854芯片介绍3.1 UC3854简介利用UC3854构成的有源功率因数校正电路可以实现功率因数校正功能，减小交流输入市电电流的谐波畸变，在UC3854内部含有电压放大器、模拟乘法器/除法器电路、电流放大器电路和恒频PWM控制电路、同时还含有驱动外接功率开关管MOSFET驱动输出电路、7.5V基准电压源、交流市电输入电压预测电路、低供电电压检测电路和过电流比较器电路。UC3854利用平均电流控制技术来实现恒频电流控制，具有工作稳定性好和畸变小的优点。不像电流峰值性控制，利用平均电流型控制技术可以在不采用谐波补偿的前提条件下，使交流市电输入电流波形为正弦波，并且抗干扰能力强。UC3854的高基准电压值和高幅值的振荡波形提高了它的抗干扰能力，而快速PWM控制电路可以使它的工作频率高于200khz，UC3854可应用于交流输入供电电压范围为75275V、电源的供电频率范围为50400hz的有源功率因数校正场合，由于UC3854的工作电流小，所以简化了UC3854的供电电路部分的设计。 UC3854的引脚排列如图3所示，对应的引脚功能如表1所示，UC3854的内部框图和电路原理框图如图4和图5所示。 图3 UC3854的引脚排列图4 UC3854的内部框图图5 UC3854电路原理框图表1 UC3854的引脚功能引脚号 引脚符号 引脚功能(1)GND接地端，器件内部电压均以此端电压为基准(2) PKLMT峰值限定端，其阈值电压为零伏与芯片外检测电阻负端相连，可与芯片内接基准电压的电阻相连，使峰值电流比较器反向端电位补偿至零(3) CAO电流误差放大器输出端，对输入总线电流进行检测，并向脉冲宽度调制器发出电流校正信号的宽带运放输出(4)ISENSE电流检测信号接至电流放大器反向输入端，(4)引脚电压应高于-0.5V（因采用二极管对地保护）(5)MOUT乘法放大器的输出和电流误差放大器的同相输入端(6)IAC乘法器的前馈交流输入端，与B端相连，(6)引脚的设定电压为6V，通过外接电阻与整 (7)VAO误差电压放大器的输出电压，这个信号又与乘法器A端相连，但若低于1V乘法器便无输出(8)VRMS前馈总线有效值电压端，与跟输入线电压有效值成正比的电阻相连时，可对线电压的变化进行补偿(9)VREF基准电压输出端，可对外围电路提供10mA的驱动电流(10)ENA允许比较器输入端，不用时与+5V电压相连(11)VSENSE电压误差放大器反相输入端，在芯片外与反馈网络相连，或通过分压网络与功率因数校正器输出端相连(12)RSET(12)端信号与地接入不同的电阻，用来调节振荡器的输出和乘法器的最大输出(13)SS软启动端，与误差放大器同相端相连(14)CT接对地电容器CT，作为振荡器的定时电容(15)VCC正电源阈值为10V16V(16)GTDRVPWM信号的图腾输出端，外接MOSFET管的栅极，该电压被钳位在15V3.2平均电流控制型PFC电路UC3854芯片就是为平均电流控制方式设计的，平均电流型控制方式的优点是： 恒频控制； 工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、EMI滤波器体积小； 能抑制开关噪声； 输入电流波形失真小。主要缺点是： 控制电路复杂； 需用乘法器和除法器； 需检测电感电流； 需电流控制环路。 典型的平均电流型有源PFC电路如图6所示。图6 典型的平均电流型有源PFC电路图其工作原理的实质是:借助功率开关管有规律的通断，通过整流桥将电源短路，使得电感L不断地储存能量，并且将全部储能或者部分储能释放到直流侧的电解电容C0，目标是获得与电源电压同步的正弦输入电流波形和稳定的直流输出电压。控制方式采取双环控制，“外环”电压环和“内环”电流环。乘法器负责将电压误差放大器输出、输入电压参考波形与电源电压有效值二次方的倒数相乘，得到综合的电流参考信号。电源电压有效值二次方的倒数可以用来调节输入电压范围，以满足宽范围电压供电的要求。电压闭环负责将给定电压与实际电压进行误差放大，目标是维持输出电压稳定。电流闭环负责将电流参考信号与实际检测电流信号相比较后进行PI调节，并产生最终控制信号，与三角载波比较后得到实际PWM信号，驱动功率开关管，Rs为检测电流用低阻值无感电阻，流过它的电流即升压电感L的电流，作为电流闭环PI调节器的一个输入。电感L的电流经过输入电容C0的吸收之后得到纹波电流比较低的正弦输入电流，且与输入电压同步。平均电流型有源PFC电路工作频率固定，输入电流连续（CCM），波形图如图7所示。图7 平均电流型有源PFC电路输入电流4 基于UC3854的PFC电路的仿真4.1仿真模型的建立建立基于UC3854的平均电流控制型PFC的SIMULINK的仿真电路图，如图8所示。图8其中解算选项设置为:最大步长为1e-6s ，相对精度为1e-3s，算法选择ode23t其他选项选择缺省值。主电路介绍:图中VS1为标准单相正弦电压源，电压有效值为220V。RLC1为输入滤波电容，取值3.3F，为了便于仿真收敛，串联0.010的电阻。RLC2为升压电感，取值为1mH。RLC3为桥后直流侧并联电阻，取值为51。RLC4为功率级无感电阻，取值为0.015，负责检测电感电流瞬时值。RLC5为电解电容，值为1410F。RLC6为电阻负载，取值为50。RLC7与RLC8为分压电阻，构成1: 80 的比例，提供电压反馈信号, RLC7取值为79，RLC8取值为1。D1D4构成单相整流桥，MOSFET1为功率开关，FRD1为反向快恢复功率二极管。控制电路介绍:三角波发生电路由时钟Clock、采样保持器ZOH、复合器MUX以及通用表达式Fcn3构成，采样时间为0.00002s，得到开关频率为50kHz、幅值为2.5的锯齿披。电压滤波器由常数Constant、加法器Addl、传递函数Transfer Fcnl、饱和器Satuation2组成，完成对负载电压的检测与给定电压的比较、滤波和放大。输入交流电压波形检测部分由正弦波发生器Sine Wave、求绝对值器Abs、通用表达式Fcn4组成，其中Sine Wave的幅值为0.05V，与电源Vs波形和相位完全一致，Fcn4负责补偿过零失真。上述两者结果经过乘法器Product相乘后的乘积为输入参考电流信号，与电压表VM2检测得到的电感电流信号相比较作为电流PI调节器的输入。电流PI调节器由传递函数Transfer Fcn2、饱和器Satuation2、通用表达式Fcn5组成，Fcn5负责改善输入电流波形，得到的结果通过复合器MUX和通用表达式Fcn3与锯齿披相比较得到PWM脉冲，驱动Mosfet开通与关断。4.2仿真结果及分析 仿真结果如下:图9 系统从启动到稳定时输入电流的波形缩略图图10 系统稳定后闭环输入电流波形细节图图11 闭环直流输出电压波形在仿真过程中看出,在开环时输入电流波形电流连续，类似与正弦波，但还存在较大畸变，功率因数较低。由图9、图10及图11可以看出，经过功率校正后输入电流已几乎接近正弦波，交流输入电流能良好跟踪交流输入电压；系统稳定后的输入电流波形和理论波形（见图7）基本相似，电流连续，类似与正弦波；输出电压稳定；因此表明提高了功率因数；达到了功率因数校正的目的。4 结论本文分析了平均电流控制型功率因数校正电路的工作原理和实现方法，并采用MATLAB中的Power System工具箱建立了主电路的模型，对基于UC3854的功率因数校正电路进行了仿真研究。通过MATLAB对基于UC3854的PFC电路进行设计和仿真，加深了对知识的理解，从仿真结果可以看出，运用功率因数校正，使输入电流能很好地跟踪输入电压波形，挺高了系统的功率因数，稳定了系统输出电压，符合功率因数校正的要求。另外，在功率因数校正电路中，电路元件参数的选取，对提高功率因数同样很重要。参考文献1 杨旭,裴云庆,王兆安.开关电源技术M.北京:机械工业出版社,2005.2 陈建业.电力电子电路的计算机仿真M.北京:人民邮电出版社,2003.3 潘湘高.基于MATLAB的电力电子电路建模仿真方法的研究,计算机仿真J.20 03,8.4 朱方明，余建刚.有源功率因数校正技术原理及应用J.现代电子技术,2000,10.5 洪乃刚.电力电子和电力拖动控制系统的MATLAB仿真M.北京:机械工业出版社,2006. 6功率因数校正（PFC）手册./tech-support.2005.08.7 杨兴华，雷淮刚，管洪飞，等. 新型部分有源功率因数校正电路的分析与实现J.电气运用,2007，26(7)：54-57.8 张波，电力电子学亟待解决的若干基础问探讨.第二届电工技术前沿论坛论文集,2005. 9 万山明,黄声华.临界不连续电流模式功率因数校正电路设计J.电力电子技术，2003.06.10 吴昕.浅谈功率因数校正技术J.西南民族学院学报（自然科学版）.11王会涛，钱希森，任开春. 基