實驗九--整流電路有源功率因數(shù)校正V1.0版

1、實驗九 整流電路有源功率因數(shù)校正實驗一、實驗目的(1)熟悉有源功率因數(shù)校正電路的結構與工作原理。(2)了解功率因數(shù)控制芯片的使用方法和工作原理。二、實驗所需掛件及附件序號型 號備 注1PE-01 電源控制屏2PE-24 整流電路有源功率因數(shù)校正3PE-40 單相智能型功率、功率因數(shù)表4慢掃描雙蹤示波器自備5萬用表自備三、實驗線路及原理(1)多數(shù)電子鎮(zhèn)流器和開關電源一般都使用二極管不控橋式整流和大容量濾波電容器從交流電源獲得直流電壓，如圖6-33所示。圖6-33 整流電路當瞬時交流電壓超過電容電壓時，整流電路從交流電源獲得功率，這種情況出現(xiàn)在交流電源電壓峰值附近，并導致大的充電電流尖峰，見圖6-

2、34。(2)功率因數(shù)（Power Factor）的定義是指：交流輸入有功功率與輸入視在功率的比值，其表達式為：式中，是電網(wǎng)電壓有效值，是電網(wǎng)電流有效值，是基波電流有效值，是電網(wǎng)電流交流失真因數(shù)，是基波電壓和基波電流的相移因數(shù)。因此功率因數(shù)又可定義為失真因數(shù)與相移因數(shù)的乘積。假設輸入電流無諧波時或，故上式變?yōu)?。經傳統(tǒng)開關電源整流濾波的輸入電流有效值（其波形是指在輸入電壓峰值處才出現(xiàn)的窄脈沖），等于基波與各次諧波之和（各諧波平方和之平方根）。在輸入電流中只有基波電流才做功，而其他各次諧波的平均功率為零不做功。功率因數(shù)校正的基本原理，就是從電路上采取措施，使電源輸入電流實現(xiàn)正弦波，并與輸入電壓保持同

3、相?？梢宰C明，功率因數(shù)與電流總諧波失真的關系為：圖6-34 未校正功率因數(shù)時的輸入電壓、電流波形正弦化是使其它諧波為零，即，則失真因數(shù)；同相位是使，即，使相移因數(shù)。綜合這兩種結果，就實現(xiàn)了功率因數(shù)為1的重要目標，即公式。圖6-35 功率因數(shù)校正電路基本工作原理方框圖(3)實現(xiàn)或者基本實現(xiàn)功率因數(shù)校正的方法有多種，有源校正技術，特別是單相升壓式高頻有源功率因數(shù)校正電路，具有高的功率因數(shù)值。功率因數(shù)校正電路基本工作原理見圖6-35。由儲能電感L、高頻大功率開關管S、單向二極管D和濾波電容C共同組成Boost(即升壓式)變換器電路。其中開關管S受恒定高頻脈寬調制（PWM）開關信號的控制。輸入電壓經R

4、1、R2分壓器采樣和檢測后加到乘法器輸入端；輸入電流經檢測后也加到乘法器輸入端；另外輸出電壓VB經R3、R4分壓取樣和檢測后，又與參考電壓比較后輸出誤差信號也加到乘法器。乘法器是功率因數(shù)控制器的關鍵環(huán)節(jié)。在較大的動態(tài)范圍內，乘法器的傳輸曲線呈線性。當正弦波交流輸入電壓從零升至峰值電壓時，乘法器輸出電壓控制電流取樣比較器的門限電平，而比較器又受高頻三角波信號調制，從而產生受控脈寬調制PWM信號脈沖，加到MOSFET柵極。這樣就能快速調節(jié)控制MOSFET主開關S的導通時間，使它及時跟隨電網(wǎng)輸入電壓的變化，從而讓PFC前置變換器的負載對于交流電網(wǎng)呈現(xiàn)電阻性。經各路反饋信號的控制，最終使流過電感L中的

5、感性電流的峰值包絡線總是緊密跟蹤單向正弦波形的交流輸入電壓而變化，于是在電氣設備開關電源的輸入端，就可以得到一個與輸入電壓幾乎完全同頻同相的平滑正弦波電流，實現(xiàn)系統(tǒng)的高功率因數(shù)值。(4)整流電路有源功率因數(shù)校正主要有整流電路、升壓變換器、控制電路三部分組成。圖6-36是整流電路有源功率因數(shù)校正的原理圖。由于整流電路、升壓變換器在以前的實驗項目中己經有詳細的介紹，因此不再重復(可參考直流斬波電路的性能研究的相關內容)?？刂齐娐凡捎玫轮輧x器公司生產的功率因數(shù)控制芯片UCC3817N和外圍元器件組成。芯片UCC3817N的管腳排列如圖6-37,內部框圖如圖6-38。圖6-36 整流電路有源功率因數(shù)校

6、正原理圖UCC3817N的管腳定義如下：GND：地PKLMT：峰值電流限制端CAOUT：電流運放輸出端CAI：電流運放反相輸入端MOUT：乘法器的輸出端和電流運放的反相輸入端IAC：與輸入電壓瞬時值成比例的電流輸入端VAOUT：電壓放大器輸出端VFF：前饋電壓端VREF：參考電壓輸出端OVP/EN：過壓保護/使能端VSENSE：電壓放大器反相輸入端 圖6-37 UCC3817N管腳排列圖RT：外接振蕩電阻端SS：軟啟動端CT：外接振蕩電容端VCC：正電源端DROUT：柵極驅動端 圖6-38UCC3817N的內部框圖四、實驗內容(1)無濾波電容的整流電路帶純阻性負載的測試。(2)有濾波電容的整流

7、電路帶純阻性負載的測試。(3)整流電路有源功率因數(shù)校正的測試。(4)控制電路的波形測試，柵極控制信號觀察。(5)整流電路有源功率因數(shù)校正電路的性能測試。五、思考題(1)整流電路有源功率因數(shù)校正電路的工作原理是什么？主要有幾部分組成？(2)升壓變換器的輸出電壓與輸入電壓的關系是什么？(3)當輸入交流電壓在一定范圍內變化時，輸出直流電壓為什么保持不變？PWM信號又有何變化？六、實驗方法(1)無濾波電容的整流電路帶純阻性負載的測試,實驗連線如圖6-39。在不通電源的情況下，按圖6-39所示連接實驗線路；將單相自耦調壓器的輸出調到最小，“調速電源選擇電源開關”置于“直流調速”側；打開總電源開關，調節(jié)輸

8、入電壓，用雙蹤示波器同時觀察輸入電壓和輸入電流的波形并記錄（以測試電阻RT的左端為參考地）；圖6-39實驗連線圖調節(jié)輸入電壓，將測試數(shù)據(jù)填入下表Ui(V)80859095100105110P(W)UI(2)有濾波電容的整流電路帶純阻性負載的測試，實驗連線如圖6-40。圖6-40實驗連線圖在不通電源的情況下，按圖6-40所示連接實驗線路，接線完畢后檢查實驗接線，尤其是電解電容的極性是否接反；將單相自耦調壓器的輸出調到最小，“調速電源選擇電源開關”置于“直流調速”側；打開總電源開關，調節(jié)輸入電壓，用雙蹤示波器同時觀察輸入電壓和輸入電流的波形并記錄（以測試電阻RT的左端為參考地）；(3)整流電路有源

9、功率因數(shù)校正的測試，整流電路之前的連線不變，整流電路之后的實驗連線如圖6-41。在不通電源的情況下，按圖6-41所示連接實驗線路，接線完畢后檢查實驗接線，尤其是電解電容的極性是否接反；將單相自耦調壓器的輸出調到最小，“調速電源選擇電源開關”置于“直流調速”側；圖6-41實驗連線圖打開總電源開關，調節(jié)輸入電壓，用雙蹤示波器同時觀察輸入電壓和輸入電流的波形并記錄（以測試電阻RT的左端為參考地）；(4)控制電路的波形測試。在上面的實驗過程中，用雙蹤示波器觀察“鋸齒波”和“PWM波”并記錄波形。用萬用表測量控制電路的電源電壓并記錄之。(5)整流電路有源功率因數(shù)校正電路的性能測試。在上面的實驗過程中，在電路允許的范圍內，分別調節(jié)輸入電壓（輸入電壓為80V130V）和負載(最大負載100W，200V/0.5A)，觀察相關的波形并設計表格記錄數(shù)據(jù)。七、實驗報告(1)按實驗方法的要求，分別繪出電路各測試點波形和數(shù)據(jù)表格，并分析之。(2)總結整流電路有源功率因數(shù)校正電路的工作原理和結構。八、注意事項雙蹤示波器有兩個探頭，可同時觀測兩路信號，但這兩探頭的地線都與示波器的外殼相連，所以兩個探頭的地線不能同時接在同一電路的不同電位的兩個點上，否則這兩點會通過