單相有源功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)開題報(bào)告

1、儀器科學(xué)與電氣工程學(xué)院本科畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）開題報(bào)告題 目：單相有源功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)學(xué)生姓名： 學(xué) 號： 專 業(yè)： 電 話：電氣工程及其自動化指導(dǎo)教師： 2013年3月 5日開題報(bào)告評審意見論文題目：單相有源功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)學(xué)生姓名： 學(xué) 號：專 業(yè)：電氣工程及其自動化 指導(dǎo)教師： 指導(dǎo)教師對學(xué)生開題報(bào)告的評語：指導(dǎo)教師簽字： 年 月 日評審組意見：組長簽字： 年 月 日注：用16k紙打印或填寫一、研究目的與意義常規(guī)開關(guān)電源功率因數(shù)低的根源是整流電路后面的濾波電容使輸出電壓平滑，但卻使輸入電流變?yōu)榧饷}沖，產(chǎn)生一系列奇次諧波，對電網(wǎng)造成污染，可能會造成電子設(shè)備損壞。諧波電流

2、的危害：1) 諧波電流的“二次效應(yīng)”，即電流流過線路阻抗而造成的諧波壓降反過來使電網(wǎng)電壓(正弦波)波動，發(fā)生畸變。2) 諧波電流引起電路故障，損害設(shè)備。比如可以使線路和配電設(shè)備過熱、引起電網(wǎng)lc諧振等。3) 諧波電流對自身及同一系統(tǒng)中的其他電子設(shè)備產(chǎn)生惡劣的影響，如引起電子設(shè)備誤操作，引起通信噪聲等。采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)是解決上述問題的有效途徑。圖1 單相整流電路 圖2 濾波電容引起的輸入電流尖脈沖二、主要工作內(nèi)容和預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)2.1了解功率因數(shù)定義功率因數(shù)的定義是指輸入有功功率(p)和視在功率(s)的比值, 線性電路功率因數(shù)可cos用表示，為正弦電流與正弦電壓的相位差。但是由于整流電路

3、中二極管的非線性，導(dǎo)致輸入電流為嚴(yán)重的非正弦波形，僅僅用用cos已不能表示整流電路的功率因數(shù)。在電力電子電路中，用pf表示功率因數(shù)。（i1基波電流有效值；in（n2）n次電流諧波有效值；iin輸入電流有效值；vrms電網(wǎng)電壓有效值；基波電壓和基波電流的相移因數(shù)）/ = / 被稱為電流的畸變因數(shù)，總諧波畸變（total harmonic distortionthd）的定義是所有諧波分量的有效值與基波分有效值的比。thd= ，thd用來衡量電網(wǎng)的污染程度。由此可見功率因數(shù)是位移因數(shù)和畸變因數(shù)的乘積。欲提高電路的功率因數(shù),，不僅要減小電壓與電流的相位差，還必須最大限度地抑制輸入電流的波形畸變,實(shí)現(xiàn)真

4、正的正弦輸入電流。如果在整流濾波后不加濾波電路,僅為阻性負(fù)載時(shí),輸入電流即為正弦波.并且與電源電壓同相位,功率因數(shù)為1.因此,功率因數(shù)校正電路的基本思想就是將整流電路與濾波電容隔開,使整流電路由電容性負(fù)載變成電阻性負(fù)載。2.2熟悉有源功率因數(shù)校正原理有源功率因數(shù)校正電路（active power factor correction簡稱apfc）其實(shí)就是一個(gè)dc-dc變換器.它是利用脈沖波寬度調(diào)變(pwm)技術(shù)來調(diào)整輸入功率的大小,以供應(yīng)適當(dāng)?shù)呢?fù)載所需的功率.脈沖波寬度調(diào)變器控制切換開關(guān)將直流輸入電壓變換成一串電壓脈沖波,隨后利用變壓器和快速二極管將其轉(zhuǎn)換成平滑的直流電壓輸出.這個(gè)輸出電壓隨即與

5、一個(gè)參考電壓進(jìn)行比較,所產(chǎn)生的電壓差反饋至pwm控制器.這個(gè)誤差電壓信號用來改變脈沖波寬度的大小.如果輸出電壓過高,脈沖波電壓會減小,進(jìn)而使輸出電壓降低,使輸出電壓恢復(fù)至正常輸出值.pfc電路就是利用這個(gè)方法,但是加入了一個(gè)電路,使的來自交流電源的電流是一個(gè)正弦波并與交流電壓同相位.此時(shí)誤差電壓信號的調(diào)變是由整流后的交流電壓和輸出電壓的變化來控制的,最后誤差電壓信號反饋至pwm控制器.也就是說,當(dāng)交流電壓高時(shí),pfc電路就從交流電源吸取較多的功率;反之若交流電壓較低,則吸收較少的功率,這樣就可以抑制交流電流諧波的產(chǎn)生.圖3 apfc的基本原理框圖2.3 功率因數(shù)校正電路方法分類有源功率因數(shù)校正

6、電路結(jié)構(gòu)分為： 1) 降壓式：因噪聲大，濾波困難，功率開關(guān)管上電壓應(yīng)力大，控制驅(qū)動電平浮動，很少被采用。 2) 升/降壓式：需用二個(gè)功率開關(guān)管，有一個(gè)功率開關(guān)管的驅(qū)動控制信號浮動，電路復(fù)雜，較少采用。 3) 反激式：輸出與輸入隔離，輸出電壓可以任意選擇，采用簡單電壓型控制，適用于 150w 以下功率的應(yīng)用場合。4) 升壓式（boost）：簡單電流型控制，pf 值高，總諧波失真（thd）小，效率高，但是輸出電壓高于輸入電壓。適用于 75w2000w 功率范圍的應(yīng)用場合，應(yīng)用最為廣泛。 由于本人設(shè)計(jì)的校正電路預(yù)期輸出功率為200w以上，輸出電壓達(dá)到400v，故選擇升壓式boost拓?fù)?。升壓式拓?fù)渚?/p>

7、有以下優(yōu)點(diǎn)： 1) 電路中的電感 l 適用于電流型控制。 2) 由于升壓型 apfc 的預(yù)調(diào)整作用在輸出電容器 c 上保持高電壓，所以電容器 c 體積小、儲能大。 3) 在整個(gè)交流輸入電壓變化范圍內(nèi)能保持很高的功率因數(shù)。 4) 輸入電流連續(xù)，并且在 apfc 開關(guān)瞬間輸入電流小，易于 emi 濾波。 5) 升壓電感 l 能阻止快速的電壓、電流瞬變，提高了電路工作可靠性。apfc輸入電流控制方法的選擇：1) 峰值電流控制型 這種方法的特點(diǎn)是輸入電流的峰值包絡(luò)線跟蹤輸入電壓波形，可使輸入電流和輸入電壓同相，并接近正弦。其工作原理是：在每個(gè)開關(guān)周期開始時(shí)，功率管vt導(dǎo)通，電感電流上升，當(dāng)電感電流上升

8、到峰值（由基準(zhǔn)電流控制）時(shí)，比較器動作，輸出信號使vt關(guān)斷，電感電流下降，直到下一個(gè)開關(guān)周期vt再次導(dǎo)通。這種方法的開關(guān)頻率是固定的。峰值電流控制方式的電流反饋信號既可以通過檢測電感電流得到，也可通過檢測vt上的電流得到?；鶞?zhǔn)電流值由電壓誤差放大器的輸出信號與整流電壓vdc的檢測信號相乘得到的。圖為峰值電流控制的電感電流波形。峰值電流控制有可能產(chǎn)生次諧波振蕩，因此必須采取斜率補(bǔ)償措施。2) 滯后電流控制型 這種方法利用滯環(huán)比較器，使電感電流圍繞基準(zhǔn)電流上下變動，變動的范圍決定于滯環(huán)的寬度。與峰值方式不同的是這種方法的電流反饋信號必須來自對電感電流的檢測，但是電流基準(zhǔn)信號是用同樣的方法得到的。通

9、過這種方式使輸入電流跟蹤輸入電壓波形，可使輸入電流和輸入電壓同相，并接近正弦。這種控制方法的缺點(diǎn)是：開關(guān)頻率不固定，使輸出濾波器的設(shè)計(jì)難以優(yōu)化；滯環(huán)控制和峰值控制對噪聲都很敏感。3) 平均電流控制型 這種控制方法采用的是電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的雙環(huán)控制。它用電流誤差放大器替代峰值和滯環(huán)方法中的電流比較器，形成電流內(nèi)環(huán)。同樣以輸出電壓誤差放大信號與整流電壓的檢測值的乘積為基準(zhǔn)電流，和電流反饋加到電流誤差放大器輸入端，通過誤差放大器調(diào)節(jié)輸入電流平均值。使輸入電流和電壓同相，并接近正弦波形。輸入電流與基準(zhǔn)電流比較后，其高頻分量被平均化處理，平均電流誤差信號與鋸齒波比較后形成控制開關(guān)vt通斷的pwm信號。

10、平均電流控制的特點(diǎn)：thd小；對噪聲不敏感。既可工作于電流連續(xù)模式（ccm），也可工作于斷續(xù)模式（dcm）。圖4 峰值電流控制型 圖5 滯后電流控制型圖6 平均電流控制型2.3 功率因數(shù)校正電路的設(shè)計(jì)uc3854 是一種工作于平均電流的的升壓型（boost）apfc 電路，它的峰值開關(guān)電流近似等于輸入電流，是目前使用最廣泛的 apfc 電路。具有以下特點(diǎn)：控制升壓pwm的功率因數(shù)達(dá)到99%以上，線電流失真小于5%，輸入電壓可在90v270v之間變化，低信噪比，1a圖騰柱式門極驅(qū)動電流。圖7 uc3854 結(jié)構(gòu)框圖圖8 使用uc3854實(shí)驗(yàn)apfc電路原理圖2.4 實(shí)驗(yàn)測試方法1) 輸出波形測試

11、，使用示波器測試輸出電壓和電流波形情況，計(jì)算功率因數(shù)。2) 功率測試，使用萬用表和示波器測試帶載情況下的功率輸出情況。2.5 預(yù)期達(dá)到的目標(biāo)1.提交一塊可用的功率因數(shù)校正電路板，指標(biāo)為：a.功率因數(shù)95%；b.vin=220v（ac），p200w；c.效率=80%-85%d.輸出vo=400v（ dc）。2.提交一篇總結(jié)研究過程的畢業(yè)論文。三、前期準(zhǔn)備工作情況1. 調(diào)研：了解國內(nèi)外單相有源功率因數(shù)校正的技術(shù)方法。2. 查找資料：查找有關(guān)功率因數(shù)校正的論文，校正芯片的資料，開關(guān)電源設(shè)計(jì)的資料。3. 閱讀文獻(xiàn)1) switching power supply design(third editio

12、n) abraham i.pressman and keith billing2) 精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)sanjaya maniktala3) pfc工作原理及pfc典型控制芯片工作機(jī)理及應(yīng)用李桂臣4) high power factor p5) 現(xiàn)代電力電子技術(shù)元器件識別、檢測及應(yīng)用徐遠(yuǎn)根，劉敏，喬恩4. 設(shè)計(jì)整體電路結(jié)構(gòu)四、核心器件及經(jīng)費(fèi)預(yù)算核心器件器件型號價(jià)格（元）主要性能功率因數(shù)校正uc385450低噪聲，驅(qū)動電流最高可達(dá)1a，內(nèi)置乘法器 開關(guān)管apt502550漏極電壓500v，漏極電流20a精密電阻0.25歐50阻值大小為0.25歐，作為

13、取樣電阻五、要求的實(shí)驗(yàn)條件及落實(shí)情況1. 實(shí)驗(yàn)室：130實(shí)驗(yàn)室2. 計(jì)算機(jī)一臺3. 測試設(shè)備：萬用表，示波器六、課題的難點(diǎn)及解決辦法重難點(diǎn)在于boost升壓電路電感的選擇和制作，uc3854外圍電路的設(shè)計(jì)以及整體電路板的調(diào)試，由于這是一個(gè)純硬件電路，所以調(diào)試起來會比較困難，所以在進(jìn)行焊接之前，必須充分閱讀資料，了解電路的特性以及其中各個(gè)元器件的作用，才能更好地進(jìn)行調(diào)試。七、時(shí)間安排2012.12-2013.1 收集資料，熟悉有源功率因數(shù)校正方法的原理和特點(diǎn)2013.3.5 2013.3.18 (1-2周)設(shè)計(jì)功率因數(shù)校正電路的整體框圖，查閱各部分設(shè)計(jì)的不同方案；2013.3.192013.4.1（3-4周）分析，仿真計(jì)算，確定最終實(shí)現(xiàn)方案；2013.4.2 2013.4.22（57周）繪制原理圖及制作pcb板；2013.4.232013.5.20（811周）電路焊接調(diào)試，改進(jìn)及測試；2013.5.212013.6.15（1215周）撰寫論文,準(zhǔn)備答辯。八、 主要參考資料1