大工17春《電源技術(shù)》大作業(yè)

大連理工大學(xué)電源技術(shù)大作業(yè)姓名：學(xué)號：____學(xué)習(xí)中心：奧鵬重慶墊江學(xué)習(xí)中心大工17春《電源技術(shù)》大作業(yè)題目五：軟開關(guān)有源校正主電路的分析軟開關(guān)有源校正主電路的根本原理功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量(視在功率)之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量(視在功率)的比值。根本上功率因數(shù)可以衡量電力被有效利用的程度，當(dāng)功率因數(shù)值越大，代表其電力利用率越高。開關(guān)電源供給器上的功率因數(shù)校正器的運(yùn)作原理是去控制調(diào)整交流電電流輸入的時(shí)間與波型，使其與直流電電壓波型盡可能一致，讓功率因數(shù)趨近于。這對于電力需求量大到某一個(gè)水準(zhǔn)的電子設(shè)備而言是很重要的,否那么電力設(shè)備系統(tǒng)消耗的電力可能超出其規(guī)格，極可能干擾銅系統(tǒng)的其它電子設(shè)備。PFC的英文全稱為“PowerFactorCorrection〞，意思是“功率因數(shù)校正〞，功率因數(shù)指的是有效功率與總耗電量(視在功率)之間的關(guān)系，也就是有效功率除以總耗電量(視在功率)的比值。根本上功率因素可以衡量電力被有效利用的程度，當(dāng)功率因素值越大，代表其電力利用率越高。計(jì)算機(jī)開關(guān)電源是一種電容輸入型電路，其電流和電壓之間的相位差會造成交換功率的損失，此時(shí)便需要PFC電路提高功率因數(shù)。目前的PFC有兩種，一種為被動式PFC〔也稱無源PFC〕和主動式PFC〔也稱有源式PFC〕。由于輸入端存在電感，升壓轉(zhuǎn)換器是提供高功率因數(shù)的方法。此電感使輸入電流整形與線路電壓同相。但是，可以采用不同的方案來控制電感電流的瞬時(shí)值，以獲得功率因數(shù)校正。a．臨界導(dǎo)電模式(CRM)PFC——由于控制的設(shè)計(jì)較為簡單，而且可與較低速升壓二極管配合使用，所以在較低功率應(yīng)用中通常采用此方法。b．不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)PFC——此創(chuàng)新的方案延承了CRM的優(yōu)點(diǎn)，并消除了假設(shè)干限制。c．連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)PFC——由于這種方案恒頻且峰值電流較小，是較高功率(>250W)應(yīng)用的首選方案。但是，傳統(tǒng)的控制解決方案較為復(fù)雜，牽涉到多個(gè)環(huán)路，以及以不精確著稱的模擬乘法器，并需在控制集成電路周圍放許多元件。1.1.2、選擇標(biāo)準(zhǔn)1、功率水平a．如果功率水平低于150W，最好采用CRM或DCM方案。至于CRM或DCM，取決于你是想優(yōu)化滿載效率，采用CRM；而如欲減少EMI問題，選擇DCM。b．如功率水平高于250W，CCM是首選方案。此方案雖然可保持峰值電流和有效值電流，但必須解決二極管反向恢復(fù)問題。c．如功率水平在150W與250w之間，方案的選擇那么取決于設(shè)計(jì)人員的磁件設(shè)計(jì)水平。d．如果功率在幾kw之上，那么采用可控整流電路代替不控整流電路，控制方法采用pwm整流，以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的矯正。2、其它系統(tǒng)要求：拓?fù)涞倪x擇還以滿足各種高能效標(biāo)準(zhǔn)。例如，如果需要使系統(tǒng)中的頻率同步，那么不能采用CRM。此外，如果第二個(gè)功率段可處理較大范圍(在某些功率序列安排中可能需要)的輸入電壓，那么應(yīng)選擇跟隨升壓。1.2功率因數(shù)的限制因數(shù)：為什么在一般的電路中功率因數(shù)較低呢？有很多因數(shù)的影響。其中影響功率因數(shù)的主要原因是這些電器的整流電源普遍采用的電容濾波型橋式整流電路〔圖1〕。這種電路的根本工作過程是：在交流輸入電壓的正半周，D1、D3導(dǎo)通，交流電壓通過Dl、D3對濾波電容C充電，假設(shè)Dl、D3的正向電阻用r表示，交流電源內(nèi)阻用R表示，那么充電時(shí)間常數(shù)可近似表示為：由于二極管的正向電阻r和交流電源內(nèi)阻R很小，故r很小。濾波電容C很快被充電到交流輸入電壓的峰值，當(dāng)交流電源輸入電壓小于濾波電容C的端電壓時(shí)，Dl、D3就處于截止?fàn)顟B(tài)；同理，可分析負(fù)半周D2、D4的工作情況。由分析不難看出，當(dāng)電路到達(dá)穩(wěn)態(tài)后，在交流輸入電壓的一個(gè)周期內(nèi)二極管導(dǎo)通時(shí)間很短，輸入電流波形畸變?yōu)榉群艽蟮恼}沖電流(圖2)。由上圖可分析出，這種畸變的電流含有豐富的諧波成分，嚴(yán)重影響電器設(shè)備的功率因數(shù)。由理論推導(dǎo)也可以證明，功率因數(shù)與電流總諧波含量的近似關(guān)系為：因此，降低電器設(shè)備的輸入電流諧波含量是提高功率因數(shù)的根本措施。2有源功率因數(shù)校正方法分類2.l按有源功率因數(shù)校正拓?fù)浞诸?.1.1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。2.1.2升／降壓式

須用二個(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。2.1.3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。典型電路如圖2所示。2.1.4升壓式(Boost)簡單電流型控制，戶F值高，總諧波失真(THD)小，效率高，但是輸出電壓高于輸入電壓。典型電路如圖3所示。適用于75~2000W功率范圍的應(yīng)用場合，應(yīng)用最為廣泛。它具有以下優(yōu)點(diǎn)：電路中的電感L適用于電流型控制；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；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)；當(dāng)輸入電流連續(xù)時(shí)，易于EMI濾波；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。2.2按輸入電流的控制原理分類2.2.1平均電流型工作頻率固定，輸入電流連續(xù)(CCM)，波形圖如圖4(a)所示。TI公司的UC3854就工作在平均電流控制方式。這種控制力式的優(yōu)點(diǎn)是：恒頻控制；工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)，開關(guān)管電流有效值小、EMI濾波器體積小；能抑制開關(guān)噪聲；輸入電流波形失真小。主要缺點(diǎn)是：控制電路復(fù)雜，須用乘法器和除法器，需檢測電感電流，需電流控制環(huán)路。2.2.2滯后電流型工作頻率可變，電流到達(dá)滯后帶內(nèi)發(fā)生功率開關(guān)通與斷操作，使輸入電流上升、下降。電流波形平均值取決于電感輸入電流，波形圖如圖4(b)所示。2.2.3峰值電流型工作頻率變化，電流不連續(xù)(DCM)，波形圖如圖4(c)所示。DCM采用跟隨器方法具有電路簡單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，似存在以下缺點(diǎn)：PF和輸入電壓Vin與輸出電壓V0的比值有關(guān)，即當(dāng)Vin變化吋，PF值也將發(fā)生變化，同時(shí)輸入電流波形隨Vin/Vo的值的加大而使THD變大；開關(guān)管的峰值電流大(在相同容量情況下，DCM中通過開關(guān)器件的峰值電流為CCM的2倍)，從而導(dǎo)致開關(guān)管損耗增加。所以在大功率APFC電路中，常采用CCM方式。2.2.4電壓控制型工作頻率固定，電流不連續(xù)，采用固定占空比的方法，電流自動跟隨電壓。這種控制方法一般用在輸出功率比擬小的場合，另外在單級功率因數(shù)校正中多采用這種方法，后面會介紹。波形圖如圖4(d)所示。2.3其他控制方法2.3.1非線性載波控制技術(shù)非線性載波控制(NLC)不需要采樣電壓，內(nèi)部電路作為乘法器，即載波發(fā)生器為電流控制環(huán)產(chǎn)生時(shí)變參考信號。這種控制方法工作在CCM模式，可用于Flyback,Cuk,Boost等拓?fù)渲?，其調(diào)制方式有脈沖前沿調(diào)制和脈沖后沿調(diào)制。2.3.2單周期控制技術(shù)單周期控制原理圖如圖5所示，是一種非線性控制技術(shù)。該控制方法的突出特點(diǎn)是，無論是穩(wěn)態(tài)還是暫態(tài)，它都能保持受控量(通常為斬波波形)的平均值恰好等于或正比于給定值，即能在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，有效地抑制電源側(cè)的擾動，既沒有穩(wěn)態(tài)誤差，也沒有暫態(tài)誤差，這種控制技術(shù)可廣泛應(yīng)用于非線性系統(tǒng)的場合，不必考慮電流模式控制中的人為補(bǔ)償。2.3.3電荷泵控制技術(shù)

利用電流互感器檢測開關(guān)管的開通電流，并給檢測電容充電，當(dāng)充電電壓到達(dá)控制電壓時(shí)關(guān)閉開關(guān)管，并同時(shí)放掉檢測電容上的電壓，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖到來使開關(guān)管再次開通，控制電壓與電網(wǎng)輸入電壓同相位，并按正弦規(guī)律變化。由于控制信號實(shí)際為開關(guān)電流在一個(gè)周期內(nèi)的總電荷，因此稱為電荷控制方式。3功率因數(shù)校正技術(shù)的開展趨勢3.1兩級功率因數(shù)校正技術(shù)的開展趨勢

目前研究的兩級功率因數(shù)校正，一般都是指BoostPFC前置級和后隨DC／DC功率變換級。如圖6所示。對BoostPFC前置級研究的熱點(diǎn)有兩個(gè)，一是功率電路進(jìn)一步完善，二是控制簡單化。如果工作在PWM硬開關(guān)狀態(tài)下，MOSFET的開通損耗和二極管的反向恢復(fù)損耗都會相當(dāng)大，因此，最大的問題是如何消除這兩個(gè)損耗，相應(yīng)就有許多關(guān)于軟開關(guān)Boost變換器理論的研究，現(xiàn)在具有代表性的有兩種技術(shù)，一是有源軟開關(guān)，二是無源軟開關(guān)即無源無損吸收網(wǎng)絡(luò)。有源軟開關(guān)采用附加的一些輔助開關(guān)管和一些無源的電感電容以及二極管，通過控制主開關(guān)管和輔助開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)序來實(shí)現(xiàn)ZVS或者ZCS。比擬成熟的有ZVT—Boost，ZVS—Boost，ZCS—Boost電路等。雖然有源軟開關(guān)能有效地解決主開關(guān)管的軟開關(guān)問題，但輔助開關(guān)管往往仍然是硬開關(guān)，仍然會產(chǎn)生很大損耗，再加上復(fù)雜的時(shí)序控制，使變換器的本錢增加，可靠性降低。無源無損吸收那么是采用無源元件來減小MOSFET的dv／dt和二極管的dv／dt，從而減小開通損耗和反向恢復(fù)損耗。它的本錢低廉，不需要復(fù)雜的控制，可靠性較高。除了軟開關(guān)的研究之外，另一個(gè)人們關(guān)心的研究方向是控制技術(shù)。曰前最為常用的控制方法是平均電流控制，CCM／DCM臨界控制和滯后控制3種方法。但是新的控制方法不斷出現(xiàn)，其中大局部是非線性控制方法，比方非線性載波技術(shù)和單周期控制技術(shù)。這些控制技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是使電路的復(fù)雜程度大大降低，可靠性增強(qiáng)。現(xiàn)在商業(yè)化的非線性控制芯片有英飛凌公司的一種新的CCM的PFC控制器，被命名為ICElPCSOI，是基于一種新的控制方案開發(fā)出來的。與傳統(tǒng)的PFC解決方案比擬，這種新的集成芯片(IC)無需直接來自交流電源的正弦波參考信號。該芯片采用了電流平均值控制方法，使得功率因數(shù)可以到達(dá)1。另外，還有IR公司的IRIS51XX系列，基于單周期控制原理，不需要采集輸入電壓，外圍電路簡單4總結(jié)在實(shí)際設(shè)計(jì)工作中功率因素校正的有相應(yīng)的好處：節(jié)省電費(fèi)，增加電力系統(tǒng)容量，穩(wěn)定電流。低功率因數(shù)即代表低的電力效能，越低的功率因數(shù)值代表越高比例的電力在配送網(wǎng)絡(luò)中耗損，假設(shè)較低的功率因數(shù)沒有被校正提升，電力公司除了有效功率外，還要提供與工作非相關(guān)的虛功，這導(dǎo)致需要更大的發(fā)電機(jī)、轉(zhuǎn)換機(jī)、輸送工具、纜線及額外的配送系統(tǒng)等事實(shí)上可被省略的設(shè)施，以彌補(bǔ)損耗的缺乏。有PFC功能的電子設(shè)備配可以幫助改善自身能源使用率，減少電費(fèi)，PFC也是一種環(huán)?？萍迹梢杂行p低造成電力污染之諧波，是對社會全體有益的功能。同時(shí)主動式PFC優(yōu)于被動式PFC。1.主動式PFC提升功率因素值至95%以上，被動式PFC約只能改善至75%。換句話說，主動式PFC比被動式PFC能節(jié)約更多的能源。2.采用主動式PFC的電源供給器的重量，較用笨重組件的被動式PFC產(chǎn)品要輕巧許多，而產(chǎn)品走向輕薄小是未來3C市場必然趨勢。學(xué)習(xí)心得《電源技術(shù)》是一門綜合性較強(qiáng)的專業(yè)課，廣泛應(yīng)用于電磁技術(shù)、電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和材料技術(shù)等學(xué)科理論，我對本課程非常感興趣，而且學(xué)到了很多東