毕业论文--单相有源功率因数校正的研究和应用设计.doc

湖南大学毕业设计(论文) 第 页 HUNAN UNIVERSITY毕 业 论 文论文题目 学生姓名学生学号专业班级2011级电子信息工程二班学院名称电气与信息工程学院指导老师学院院长2015年5 月 25 日41湖南大学毕业设计(论文) 第 页 摘要4Abstract5第一章 绪论61.1谐波的来源61.2传统桥式整流输入的变换器与带有PFC级的变换器的比较71.3功率因数校正技术概述91.3.1谐波含量与功率因数91.3.2功率因数校正电路的分类10第二章 有源PFC电路设计基础112.1四种电路的简介112.1.1无源PFC电路和有源PFC电路112.1.2单级PFC转换器和两级PFC转换器112.1.3无源、有源单级、有源两级性能比较122.2有源功率因数校正（APFC）工作原理122.3 Boost PFC 拓扑132.3.1传统Boost PFC 拓扑132.3.2无桥Boost PFC 拓扑142.4有源功率因数校正的控制方案16第三章 硬件电路设计203.1主电路的设计203.2 控制电路的设计和参数计算233.2.1频率设定电阻233.2.2电流环补偿电容233.2.3输出电压分压电阻243.3 芯片UC3854简介24第四章 软件设计264.1软件开发环境简介264.2软件总体结构274.3中断程序设计294.4子程序设计30第五章 Matlab 仿真31总结和展望34致谢35参考文献37附录 部分程序代码38摘要 功率因数校正技术这些年来受到了很多很多的的关注，它是提升功率因数、抑制谐波电流的非常好用的技术。本文不仅介绍了有源功率因数校正（APFC）的基本原理，而且还对有源功率因数校正（APFC）的主电路拓扑进行了一些分析与比较，并总结了他的特点；对三种电路：第一种无源功率因数校正(PFC)电路、第二种有源单级功率因数校正(PFC)电路、第三种有源两级功率因数校正(PFC)电路进行了许多分析和性能的对比，并给出了它们分别适合用的地方。 通过比较分析，主电路拓扑的方式我们最重选择了Boost变换器，采用UC3854控制器，设计了一个容量为300W的单相有源功率因数校正电路，并给出了具体电路参数的计算。其中包括电容、电感、电阻等的计算，此外还对UC3854控制器进行了一些介绍，在硬件电路的设计上，采用双闭环和乘法器的方式对电路进行了控制，在硬件电路的基础上，编写了大量的程序，其中包括主程序、中断程序和各种各样的子程序，并画出了流程图，在软件编写完成后利用了matlab对其进行了仿真，其中运用了双闭环算法，对仿真的结果进行了一些个人的分析，提出了自己的见解，并对实验的结果进行了一些分析。 在这次试验里，电流调节器是我们使用的控制电路的重要部分，它由三部分组成，第一部分为线性乘法器，第二部分为电流误差放大器，第三部分为PWM比较器。在电流调节器的使用下，输入电流模仿输入电压最重呈现正弦波形，并且两者同相位。这整个系统使用的控制方案是电压外环、电流内环的双闭环模式。电路简单，容易实现，有利于减小体积和成本。对无桥Boost传感器的原理进行了详细的分析，并进行了仿真，结果证明了原理电路的可行性。在进行仿真时我们特意在频率、电感、阻抗等参数方面进行了多组实验数据图像的采集，通过这些图像我们可以很清楚的看到频率、电感、阻抗对电路性能的影响。这可以为我们以后的试验积累很好的经验，方便我们对电路的各个性能的了解。本次研究课题通过软件和硬件两个方面对PFC校正做了一个详细的试验，并通过仿真证实了自己的想法。关键词：功率因数校正，boost 拓扑，双闭环，乘法器Abstract Power factor correction technology is all effective method of restraining harmonic currents and increasing power factor,which has been attended more and more in recent yearsMain circuit technologies and control methods are analyzed and compared on the basis of the principle of Active Power Factor Correction (APFC)，which characteristics are summarizedPassive Power factor correction circuit，twostage and single-stage APFC circuits are researched，which applications are given by comparison of their performance Through comparative analysis, we chose to Boost converter main circuit topology, using UC3854 controller is designed with a capacity of 300W single-phase active power factor correction circuit, and the calculation of specific circuit parameters. Including the calculation of capacitance, inductance, resistance, etc., in addition to a number of UC3854 controller introduced in the hardware design, using double-loop and multiplier circuits are controlled manner, on the basis of hardware circuit, prepared a number of programs, including the main program, interrupt program and a variety of routines, and draw a flow chart, after the completion of software development, its use of Matlab simulation, which use a double-loop algorithm, the results of the simulation analysis of some individuals, put forward their own views, and the results of the experiment carried out some analysis. In this trial where we used the core control circuit is the current regulator, the linear multiplier, the current error amplifier and PWM comparator. Under current regulator role, the input current to track the input voltage sinusoidal shape, and in phase with the input voltage. The system uses the current loop, double loop control scheme outer voltage. Circuit is simple, easy to implement, will help reduce the size and cost. Boost for non-bridge sensor principle a detailed analysis, and simulation results prove the feasibility of the principle of the circuit. We deliberately conducting simulation parameters of frequency, inductance, impedance, etc. multiple sets of experimental data image acquisition, through these images we can clearly see the frequency, inductance, impedance effect on circuit performance. This can be for us a good test after accumulating experience, to help us understand the various performance circuits.The research by the software and hardware aspects of PFC correction made a detailed test Keywords：Power factor correction, boost topology, double-loop, multiplier第一章 绪论 近10年来，电力电子装置在军事、工业、农业、生活及高新技术领域的应用日趋广泛，电力电子技术已成为工程技术领域的关键技术之一。但电力电子装置的大量应用和整流器、电源开关等非线性负载的增加给电力系统注入了越来越多的谐波，致使电网中的谐波污染日益严重，导致电网功率因数过低，并影响到电网供电质量和用户使用的安全性。伴随着各类电器从电网中汲取的电能越来越多以及国际组织对于电能质量的规范愈发严格，信息时代对电能质量的高要求，电网谐波污染的治理问题受到了越来越多的关注，抑制谐波提高电力电子设备的功率因数成为一个十分重要的课题。1.1谐波的来源 220V交流电压经过整流滤波后变为直流，然后提供直流供电，在电力电子技术及电子仪器中这种方式是应用非常普遍的一种基本的变流技术。传统ACDC变换器是通过将两种元件结合在一起使用，第一种为电解电容滤波电路，第二种为二极管桥式整流，如图1.1(a)所示。降低输出电压的纹波是大容量电容主要的任务，并且当系统掉电的时候大容量内容为可以负载补充必须的储能。但是因为输入整流脉动电压只有当大于电容电压的刹那才会对电容进行充电，所以我们看到的输入电流才会是尖峰脉冲形状的。 下面我们对这一种呈现脉冲形状的输入电流开展傅立叶分解运算，运算后我们可以有如下的表达式子： Ii=I1sinwt+I3sin3wt+I5sin5wt+上式中，I1是基波分量；I3是3次谐波分量，I5是5次谐波分量。因为输入电流为一个奇谐的函数，所以上面的表达式子中仅含有奇次的谐波。 在上面的分析中我们可以看到，输入电流拥有的成分基波和大量的谐波分量。因为有功功率只能由基波电流才能够产生，而高次谐波分量只能够使视在功率加大，所以毫无疑问在ACDC变换器输入端口我们的功率因数将降低。不仅如此，大量谐波分量进入电网还会对电网造成谐波“污染”。这种污染会造成一些不良的后果，一方面产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波电压降，这会使得电网电压发生畸变，并且会损坏变电设备、造成电路的故障；另一方面，它还会干扰其他用电设备，还会引起保护装置的误动作和仪器仪表的误测量等等。 ACDC变换器输入端的谐波电流不仅会造成噪声还会对对电网产生谐波“污染”，我们为了减小这些污染和噪声、提高电网的可靠性以及供电质量；除此以外也为了提升输入端功率因数以便节能；一定要降低来自于ACDC输入端的谐波电流分量。本着将电流波形畸变以及谐波分量控制在一定范围内，让电磁环境变得更加干净的初衷，一些输入电流谐波限制准则如IEC555.2，IEEE519，IECl000.3.2等已经被全球性性的学术组织和国家颁布和实施了。自1994年起IEC555.2标准已经全面在欧盟国家得到实施，自1994年3月，我国也开始执行国家限制标准GB/14549.93电能质量，公用电网谐波，它的重要目的是确保电网中的电流和电压这两者的波形失真在可以允许的范围内，以此来保护用电设备能够安全的运行下去，降低电网污染为通信系统带来的干扰。由此可见，当务之急是运用功率因数校正技术能够使谐波污染控制在相应标准要求的范围内。1.2传统桥式整流输入的变换器与带有PFC级的变换器的比较 图1.2.2 带有PFC级的变换器图1.2.1 传统桥式整流输入的变换器 图1.2.4 带有PFC级的变换器的电压与电流波形图 电压与电流波形图 图1.2.3 传统桥式整流输入的变换器的电压与电流波形图 传统桥式整流开关电源利用工频二极管桥堆和大电解电容把自身频率为50hz/60hz的网压转变成直流电压后输出给后一级的变换器。但是这种方式的输入电流是非正弦的，并且谐波的含量还非常的大。它的功率因数一般之在0.5徘徊。带有功率因数校正环节的开关电源能够提供输入电压与输入电流波形相同且相位一直的信号，这样就降低了无功功率，从而减少输送电能的损耗提高电能的利用率。 下面我们通过一组数字来证明上述理论首先为无功率因数校正环节的开关电源，假设负载功率为2kw,变换器的效率是96%，功率因数为0.52.那么电网需提供的电能为 =4006.4w (1.1)下面为有功率因数校正环节的开关电源，变换器的效率是96%，功率因数为0.99.那么电网需提供的电能为 =2104.4w (1.2)上面的计算结果很有利的向我们说明了，有源功率因数的提高是的无功功率降低进而提高电能的利用率。1.3功率因数校正技术概述1.3.1谐波含量与功率因数 功率因数PF(Power Factor)是交流输入有功功率P与视在功率S的比值，如下式： PF= (1.3)有功功率是电流与电压的瞬时乘积在一个周期内的平均数值，它将消耗在电路中转化为其他形式的能量而被使用。当电压与电流同为正弦且相位差为0时功率因数为1，当电流与电压均未正弦但相位差为时功率因数为cos,所以PF可以表示为 PF= (1.4)其中为畸变因数，它定义为基波变量有效值比上总电流有效值；为位移因数，它被定义为电压与电流相位差的余弦值，也就是cos. = (1.5)上述式子中THD为总谐波畸变量，这个式子将畸变因数和总谐波畸变量联系起来。因此只有当输入电压与输入电流的基波成分相位一致时，也就是=0，=1时： PF= (1.6)下面这个表格显示了已知PF时，THD 的测量值与实际值表1.1 THD 的测量值与实际值PF0.58120.99030.9950.998750.99955THD%(计算值)140141053THD%(实测值)-1074.27-可见THD能很好地衡量非线性电路的功率因数，如果THD小于5%那么PF就可以控制在0.99以上，这是非常可观的改善。1.3.2功率因数校正电路的分类 功率因数校正电路的技术丰富多彩，不计其数，从电网输入方式可以分为单相PFC和三相PFC，从实现方法上可以分为有源PFC和无源PFC，从电路自己的结构上来说又可以分为单级PFC和两级PFC。第2章 有源PFC电路设计基础2.1四种电路的简介2.1.1无源PFC电路和有源PFC电路.图2.1.1 无源PFC电路结构 图2.1.2 无源PFC波形 上述图向我们展示了自身输入电压可调节的无源PFC电路及其波形。该图向我们展示了添加PFC校正电路后输入电流的峰值明显降低，导通角增大，起到了功率校正的效果。无源PFC电路是通过在整流桥的前面添加了一个大电感来减小谐波含量和提高功率因数的目的。电感越大，输入电流的峰值越小，这样就可以增加桥式整流电路的导通角和较低谐波含量。无源PFC电路成本低，结构简单，但他所需的电感比较笨重。因此只能适用于小功率、低成本、对体积和重量要求不高的地方。在大功率领域内，有源PFC电路几乎成为唯一的选择，他可以使得功率因数接近于1以及非常低的THD，不仅如此他还可以适应宽范围的电压输入。典型的电路就是无桥Boost PFC电路，它高功率、低消耗。但是有源PFC电路需要较高成本的控制芯片和复杂的外围电路。2.1.2单级PFC转换器和两级PFC转换器 单级PFC变换器是把PFC和DC/CD级整合在一起，两者共用一个开关管，成本低结构简单，只用一级变换就实现了输入功率因数校正、输出电压调节和输入输出隔离三大功能。但是单级PFC储能电容上的电压与输入电压的有效值两者是成正比变化的，而且输入电路的THD很大。所以它适用于低功率、低精度的场合。 两级PFC变换器的功率因数校正和输出电压调整是分别由两个独立的控制器来完成的，它的优点是:可以提高功率因数、降低电流谐波含量、输出稳定的高压直流且能保持较长时间。但是两级的成本增加，损耗增加。2.1.3无源、有源单级、有源两级性能比较我们将三种电路的性能进行了比较，并加以总结如下表2.1.3所示表2.1.3 三种PFC电路性能的比较无源PFC有源单级PFC有源两级PFC功率因数（PF）低中高总谐波含量（THD）高中低体积中小大效率高低中控制简单简单复杂重量重轻轻储能电容电压变化变化恒定功率范围200-300W200-300W不限器件数量很少中多设计难度简单复杂中经过对三种PFC电路在PF、THD、器件数量、储能电容电压、体积、功率范围、效率、控制电路、重量、设计难度等方面上的比较得出：这些电路依次适用于各种不同要求的场合。对价格敏感度低、性能要求较高、中大型功率场合可以用有源两级PFC：要求成本低的小功率、对体积没有太大限制的场合可以用无源PFC；双方的折中方案是有源单级PFC，适用于要求结构简单、体积小、性能较好的应用场合。2.2有源功率因数校正（APFC）工作原理 有源功率因数校正(APFC)是提高功率因数，抑制电流谐波最行之有效的方法，其原理框图如图所示。其基本原理是：首先交流输入电压经全波整流后得到全波整流电压，然后对所得的全波整流电压进行DCDC变换，在保持输出电压稳定的前提下，我们运用合理的控制保证输入电流的均值与经过全波整流以后的电压波形相同，且输入电流为正弦波。普通情况下APFC电路都会拥有2个反馈控制环：电路的外环是电压环，它能够使DCDC变换器稳定的输出（DC）直流电压；电路的内环是电流环，它能够使DCDC变换器的输入电流和经过全波整流后的电压波形同步； 图2.2 APFC工作原理 该电路的明显特点是加入了储能电感和乘法器。高频开关和储能电感两者配合起到电流分配器的效果，当开关管导通的时候，二极管截止，电流流经电感；当开关管断开的时候，二极管导通，会将储存的能量提供给负载。在二极管截止的期间，负载电流依靠输出电容来维持。如果开关管的导通和截止由交流线电压的正弦波形的变化规律来加以控制，很有可能使通过储能电感的电流的波形变为正弦。电流乘法器在这里有着非常重要的作用，实际上乘法器是一个工作频率与正弦线电压频率成正比的电流源，这个电流源担当PWM比较器的参考信号并且会与电路回路电流信号进行比较，然后将这个误差转换成一系列脉冲控制信号来驱动高频开关管S。因为参考信号同步于的正弦信号，该信号是输入正弦电压的全波整流电压，该系列控制脉冲信号的占空比是非常严格的按照正弦分布的。控制过程其实是一个深度电流负反馈的过程。除此之外，电流乘法器M的输出电流还与Boost PFC电路的成反比，与输出电压比较器的输出电压成正比,这意味着输出电压影响着PWM比较器的电流参考信号，保证Boost PFC电路的输出电压稳压。综上所述，乘法器M有着两个作用，其中一个是强制输入电流信号的正弦化，另外一个作用是稳定输出电压2.3 Boost PFC 拓扑 2.3.1传统Boost PFC 拓扑 传统Boost PFC 拓扑电路由PFC和整流桥组合而成，如下图所示图2.3.1 传统Boost PFC 拓扑电路图 The traditional Boost circuit topology 传统Boost PFC 拓扑工作的时候通过控制开关管的行为，利用反馈来控制电流的波形，这样可以使得输入电流与输入交流电压的波形保持同步切接近正弦波，以此来提高有源功率因数。当电路导通工作时有三个半导体同时在工作，变换器功率和开关频率提高，系统的系统通态损耗增加明显，整体效率降低。 2.3.2无桥Boost PFC 拓扑 无桥Boost PFC 拓扑结构由罗克韦尔（Rockwell）自动化公司在1983年率先提出，该结构省去了整流桥，减少了开关器件的使用，具有通态功率低、效率高等优势。下图为通态损耗低的无桥电路图。 图2.3.2.1 无桥Boost PFC 拓扑电路图 No bridge PFC circuit topology 2.3.2.1无桥PFC的工作原理 无桥PFC电路一共有四个工作模态，正半周期时电路处于模态一和模态二两种工作模态下，负半周期时电路处于模态三和模态四两种工作模态下 图2.3.2.2 无桥PFC电路工作模态 No bridge PFC circuit work mode 图中黑色箭头为该工作模态下电流路径，从左到右，从上到下依次为模态一、二、三、四：模态一：VT1导通，VD1，VD2反向截止，电流经过VT1、VT2的体二极管为电感充电，电感的电流线性增加，负载由位于电路中的储能元件电容C提供模态二：VD1正向导通，电流流经电感L1、VD1、VT2的体二极管，这个工作模态中电感作为电源提供能量，电感的电流减小，电感和电源串联起来向电容及负载供电。模态三：VT2导通，VD1和VD2反偏截止，电流经过VT2l流向VT1的体二极管，向电感L1充电，电容为负载提供能量。模态四：VT2关闭，VD2正向导通，电流经过L2、VD2、RL、VT1的体二极管构成了回路，这个工作模态下电源和电感两者一起为负载供电。经过以上比较分析，无桥和有桥最大的区别在于，无桥才有两个MOSFET替代了传统意义上的二极管，这样既较少了功率器件精简电路又有效地降低了系统损耗从而提高了系统的效率。 2.3.2.2无桥PFC的优化 虽然无桥PFC拥有很多的有点，诸如器件少、功耗低、效率高，但是它依然存在很多的问题：（1）EMI严重 电路中PFC的电感与电源直接相连，我们都知道电感对于高频干扰信号来说相当于开路，这就导致了电路中的各点电位都会随着开关的频率变化而变化，电路中电位变化会使得各点与大地之间存在的寄生电容形成共模电流，因为电路中各点的电位均处于浮动的状态，所以因此而产生的共模电流也就比传统的Boost PFC电路大了许多，所以无桥电路的共模干扰现象比较严重。（2）电流采样困难 在上面的工作模态分析中，我们不难知道在任意的一条回路上想要得到极性一直的电流采样信号是非常困难的，所以我们必须构建一个比较复杂的电流检测电路。 为了解决上述的两个困难，我们在原来的电路基础上那个添加了2个快速恢复二极管，如下图所示 图2.3.2.3 双二极管式无桥PFC Pairs of secondary pipe bridge PFC 采样电阻Rs上的电压可以完全反应出电感中的电流，这样就简化了电流的检测电路。2.4有源功率因数校正的控制方案 功率因数校正的最终目的是希望输入电流跟随输入电压成正弦变化，并且保证两者相位基本相同，目前传统的控制方案有一下三种：峰值电流控制、平均电流控制、滞环电流控制。但是传统的电流控制方案都是依据乘法器为核心的，这样使得控制电路很复杂，接口设计比较繁琐。目前被应用最多的控制方式是CCM模式下的电流控制。首先先将输入电压信号与输出电压误差信号相乘，然后作为电流控制器的电流给定信号，输入电流按照给定信号变化，这一功能电流控制器控制完成。根据CCM模式反馈的电流种类，我们将控制方式进行了分类：第一种为峰值电流控制(PCMC)、第二种为平均电流控制(ACMC)、第三种为滞环电流控制(HCC)(1)峰值电流控制(PCMC) 图2.4.2给出了PFC中峰值电流控制原理，它的实现很容易。图2.4.1给出了电感电流在半个周期内的波形图。MIA812、ML4819、TK84812、TK84819等是能够实现峰值电流控制的主要IC。那么这种控制也存在一定的缺点：没有办法满足THD非常小的这个要求，因为电流的峰值与平均值存在一定的误差，；电流的峰值对于噪声很敏感；当占空比大于0.5的时候电路将会产生次谐波振荡；必须在比较器的输入端引入谐波补偿。现在这种控制方法在PFC中趋于被淘汰。(2)滞环电流控控制（HCC) 图2.4.3给出了PFC中环滞电流控制原理，图2.4.4给出了环滞电流在半个周期内的波形图。对Boost电路来说，这种控制是最简单的电流控制方式，这控制方法能够得到非常宽的电流频带，他不仅没有外加的调制信号而且在该调制方式中电流反馈和调制集于一体。它的特点为：具有内在的电流限制能力、控制非常简单、电流动态响应速度快；在一个工频周期内开关频率并不是保持不变的，这会导致电流过零点的死区和EMI问题；开关频率受负载的影响非常大，滤波器的设计只能是最低频率的设计模式，不这样就不可能拥有体积和重量最小的滤波器设计；开关频率和系统性能受滞环宽度的影响大。(3)平均电流控制(ACMC)图2.4.6 平均电流控制时的电感电流波形图2.4.5 平均电流控制原理图 给出了平均电流控制的原理图，相比之下，图2.4.3和图2.4.2中的电流比较器被图2.4.5中的电流误差放大器CA所替代。先将输入整流电压与输出电压误差放大信号相乘，再将乘积作为电流基准；与此同时，输入电流的平均值经过电流环调节，就变为接近正弦并与输入电压相同的相位。被直接检测的输入电流信号，先与基准电流作比较，然后它的高频分量的变化会得到平均化的处理。通过电流误差放大器的放大以后的平均电流误差在与锯齿波比较后，提供给开关Tr作为驱动信号，与此同时决定了它应该拥有的占空比。所以电流误差被快速准确地校正。因为电流环具有很高的增益带宽，所以使得瞬态特性好、跟踪误差小。平均电流控制的特点是：开关频率不变、THD和EMI很小、对噪声不敏感，适用于大中功率场合，电感电流的峰值和电感电流的平均值两者之间的误差很小，原则上可以检测任何一个拓扑、任何一个支路的电流，目前PFC中平均电流控制是被应用最多的一种控制方式。平均电流控制采用的IC主要包括UC3854、UC3855、TK83854、ML4821等。表2.4 三种控制方法的比较控制方法检测电流频率工作模式对噪声适用拓扑注滞环电流电感电流变频CCM敏感Boost需逻辑控制峰值电流开关电流恒定CCM敏感Boost需斜路补偿平均电流电感电流恒定任意不敏感任意需电流误差放大第三章 硬件电路设计3.1主电路的设计本文拟设计一单相有源功率因数校正电路，确定元件规格并且会对部分损耗元件进行损耗计算，其技术指标如下所示：(1)额定最大输出功率：300W(2)输入线电压额定频率:50Hz(3)PFC电路工作频率频率：100kHz(4)最低交流输入电压：85VAC(5)最高交流输入电压：265VAC(6)额定输出直流电压：385VDC(7)估计效率：93(8)最大输入功率=322.581W(9)最大输入电流=3.795A我们知道在有源功率因数校正中boost变换器是应用最多的，所以我们这次也选用了无桥boost PFC电路。如图所示的主电路图主要是有EMI滤波器和Boost变换器两部分构成的。 图3.1.1 有源功率因数校正主电路结构图 3.1.2电路参数的计算和选择 3.1.2.1 PFC变换器工作频率的选择 虽然PFC变换器工作频率的选择依据并没有严格的标准，但是工作频率必须足够的高，这样可以减小磁芯元件和变换器整体的体积，与此同时又可以降低输入电流的失真。但是过犹不及，过高的工作频率会导致开关元件的损耗过大，效率很低。30KHz-300KHz都是可以接受的范围，本文选择100KHz这样可以兼顾变换器的效率和体积。在这个工作频率下面PFC电感不需太大，体积也较小。输入电流的失真可以降低到最小，与此同时开关的损耗也可以维持在一定的水平上面。 3.1.2.2高频输入电容的计算 在上面的分析中我们可以看到传统的Boost PFC电路中电容直接接在整流桥的后面且容值较小，它主要是为了抑制输入电压的杂波。但是无桥Boost PFC电路的电容加在PFC电感前面、两条母线之间。下面我们来计算数值 (3.1)其中为电感电流的纹波系数（10%-30%），r是输入网压高频纹波系数(3%-9%)通过计算我们选定为330nF,630V的CBB无极性的电容。电容的值不应该选的过大，过大会增加输入线电压与输入电流之间的相移、降低PF值。 3.1.2.3 PFC电感的计算和损耗分析 电感值的大小直接决定了输入线电流高频波纹的大小，一般情况下电感值的计算是通过将纹波电流峰峰值规定为20%的最大输入线电流来确定的，又因为最大输入线的电流是在最低输入线电压的峰值时刻发生的，所以计算如下： 电感波纹电流峰峰值为： (3.2) 最大峰值电感电流为： (3.3) 最低输入线电压的峰值时刻对应的占空比为：(3.4)那么PFC的电感值为：(3.5)因为本所使用的是分立电感结构，分别在两条输入母线旁边，所以每个电感值为 3.1.2.4输出电容的计算和选择 在选择电容的时候有以下几个方面需要考虑：（1）需要满足输出电压纹波的要求，如果本设计中在满载情况下输出电压纹波限定为V，则按照公式计算可得输出电容大小：(3.6) (2)另外如果电路对输出电压的保持时间有要求，那么输出电容还与保持时间有关，而且实际的需要值往往要大于计算所得理论值。如果输出的最低电压为285V，要求保持时间为30mS，那么按照公式可以计算如下：(3.7) （3）输出电容的ESR导致的损耗也必须考虑在内，必须要保证开关频率和工频的电流波纹不大于器件厂商给出的最大参数值。（4）上述的电路中的输出电压为385V，根据输出电压波纹和足够的电压裕量，我们应该选择450V系列的电容。综上所述，电容值如下所示：(3.8)所以选择 Rubycon MXG系列的330450V的电容。3.1.2.5开关管和升压二极管选择根据电流应力和电压应力，我们选择了适用于PFC电路的 CoolMOS 系列中的MOSFET和碳化硅二极管来降低导通损耗和反向回复所引起的损耗。3.2 控制电路的设计和参数计算3.2.1频率设定电阻PFC的工作频率是100Khz,按照下面的公式计算(3.9)3.2.2电流环补偿电容该电容是用来对电感电流的采样信号进行滤波的，得到能够反映电感平均电流的采样信号。所以该电容的转折频率必须要低于开关频率，用来降低高频部分的增益，如果=15KHz,已知芯片的参数、,那么电流环路补偿电容为：(3.10)那么我们取=2.2nF，我们代入上述公式得到电流转折频率为10KHz左右。3.2.3输出电压分压电阻(3.11)如果=750,则=9.87 图3.2.1 输出电压反馈分压电阻 Voltage divide resistors3.3 芯片UC3854简介 经过对APFC经常使用的控制方法的分析与比较可以知道，平均电流型控制在目前PFC中应用最多，因为该方法具有对THD和EMI很小、噪声不敏感、开关频率不变等优点。所以从实用性的角度出发，本次设计使用平均电流型控制方法。控制芯片选用成本较低、校正效果明显的UC3854控制器。UC3854囊括了平均电流型控制所需要的全部功能，它是一种专门被用于功率因数校正电路的控制器。它的特点是：控制电网电流的失真5；使升压PWM变换器输入端的PF功率因数高达0.99；采用频率不变的控制方法；电流放大器的频带比较宽等等。它的内部包含四个主要部分:第一部分为电压误差放大器、第二部分模拟乘法器除法器、第三部分电流误差放大器、第四部分恒频脉宽调制器(PWM)。此外还包括了四个其他部分：第一部分栅极驱动器、第二部分7.5V基准电压、第三部分低电源检测器、第四部分过流比较器。UC3854的内部功能方框图如图3.3.1所示。图3.3.1UC3854的内部功能方框图 图3.3.2给出了用UC3854实现PFC的控制电路的电路图。电流调节器是控制电路的核心部分，由三部分组成：第一部分为线性乘法器、第二部分为电流误差放大器、第三部分为PWM比较器组成。输入电流在电流调节器的作用下跟随输入电压变为正弦波形，并且和输入电压相同相位。整个系统采用的是双闭环控制方案，它由电流内环、电压外环两部分构成。图3.3.2用UC3854实现PFC的控制电路第四章 软件设计 系统软件部分主要是有主程序、中断程序和各种子程序组合而成的，程序是在mathworks提供的 MATLAB环境下编写而成的4.1软件开发环境简介 MATLAB是matrix和laboratory两个词的组合，意为矩阵工厂（矩阵实验室）。是由美国mathworks公司发布的主要面对科学计算、可视化以及交互式程序设计的高科技计算环境。它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在一个易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言（如C、Fortran）的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。4.2软件总体结构Return 读取ADC结果寄存器进行FIR滤波处理结果送给算法中断服务函数后台任务函数任务一：分段PI参数设定任务二：实现软启动参数给定任务三：更新液晶显示Initial2833xdevice levelPeripherial levelSystem levelISR 函数ADC函数ePWMmain图4.2 函数流程图Y故障检测NYmainInitial2833xdevice levelPeripherial levelSystem levelISR 函数ADC函数E PWM初始化PIE向量表初始化变量参数赋值清除故障标志PFC进入正常工作执行后台任务函数允许PWM输出打开PWM中断软启动模式软启动完成？故障显示关闭PWM输出关闭中断函数提示故障类型故障检测YN4.1主程序流程图流程图N4.3中断程序设计退出中断电压PI环控制器（10KHz）更新占空比电流PI环控制器（10KHz）电压极性检测和整流PWM极性控制电压有效值计算乘法器PFC_ICMDMini _ISR读取ADC结果寄存器中的值FIR滤波器进行滤波处理图4.3中断程序流程图4.4子程序设计PFC正常工作状态设置参考为400VY检测输出母线电压打开中断允许PWM输出开始参考电压加1N图4.4软启动程序流程图第五章 Matlab 仿真 图5.1 仿真总图Simulation assembly drawing 本章节对无桥PFC电路进行了仿真和测试，并得到了仿真波形，在此基础上对仿真图形进行了进一步的分析。 仿真采用无桥拓扑电路、输入220VAC、稳压400VDC，控制方法为乘法器+双闭环和滞环电流控制法。乘法器+双闭环输出400V R=50欧姆的电流波形（如图5.2）电感L=2mH，f=10kHz图5.2 输出电压400V R=50电感L=2mH，f=10kHz电流波形图乘法器+双闭环输出400V R=150欧姆的电流波形（如图5.3）电感L=2mH，f=10kHz图5.3 输出400V R=150欧姆 电感L=2mH，f=10kHz电流波形图乘法器+双闭环输出400V R=150欧姆的电流波形（如下图5.4）电感L=9mH，f=10kHz图5.4 输出400V R=150欧姆 电感L=9mH f=10kHz电流波形图乘法器+双闭环输出400V R=150欧姆的电流波形（如图5.5）电感L=2mH，f=100kHz图5.5 输出400V R=150欧姆 电感L=2mH f=100kHz 电流波形图 滞环电流控制输出400V R=150欧姆时的电流波形（如图5.6） 电感L=2mH，f=10kHz图5.6 输出400V R=150欧姆 电感L=2mH，f=10kHz电流波形 滞环电流控制输出400V R=50欧姆时的电流波形（如图5.7）电感L=2mH，f=10kHz图5.7 输出400V R=50欧姆时 电感L=2mH，f=10kHz电流波形图分析结论如下：1、相比之下，滞环控制法比较理想，电流波形受负载变化影响较小。但是滞环控制法我认为是变频控制的，适合MOS管，不适合IGBT（=20kHz）。2、在乘法器+双闭环控制中，加大电感量比提高频率有效。而且，电流的畸变率（波形形状）受负载变化的影响严重。只适合在一定的负载和输入电压区间内使用。3、实验中实际的电流波形与仿真的一致（前提是各个参数均相等），实验中，负载一直在几百欧姆，因此，实验结果不理想。总结和展望 目前电力系统谐波已经越来越引起人们的重视，因此对电力电子设备性能的需求也越来越高。随着社会的进一步发展，这种需求也会越来越明显。本文针对这个显著的问题给出了一些解决的方法，在对原理进行了一些解释和探讨的基础上，我们最重要的任务就是对应用电路进行了设计和调整，包括电路参数的设计和电路器件的选择使用，在两者的基础上我们对电路进行了焊接和试验，包括对理论误差和实际