完整word版CCMBOOST功率因数校正课设正文.docx
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完整word版CCMBOOST功率因数校正课设正文
摘要
本文设计了一种高功率因数、低电磁干扰的单级CCM-BOOST功率因数校正电路。
首先对有源功率因数校正电路进行了详细的分析。
基于对有源功率因数校正电路的双级式和单级式结构的特点比较,本文采用了单级式的电路结构。
选择Boost电路为有源功率因数校正电路的主电路,给出了Boost电路的组成并分析了它的工作过程。
在此基础上本文采用连续导电工作模式(CCM)和平均电流控制策略,并应用UC3854作为有源功率因数校正电路的控制芯片。
对UC3854芯片的工作原理及各引脚功能作了介绍,对相应的控制部分的控制输入、乘法器、电压环和电流环部分进行了详细的分析。
在上述对有源功率因数校正电路做了优化基础上,在输入电压为市电220V/50Hz条件下,对有源功率因数校正电路进行优化,输出400V直流电,并应用MATLAB软件进行了仿真计算。
仿真结果与理论设计比较,两者相当一致,表明了本文所做的工作的正确性。
关键词:
CCM-BOOST功率校正UC3854MATLAB仿真
CCM-BOOST功率因数校正电路仿真
1设计任务及要求
1.1初始条件
输入交流电源:
单相220V,频率50Hz。
1.2要求完成的主要任务
1、基于CCM-BOOST方式实现功率因数校正,输入功率因数达到0.99。
2、输出直流电压:
400V,输出功率250W。
3、建立功率因数校正电路Matlab仿真模型或者saber模型。
4、进行仿真,得到交流侧输入电压电流波形。
2功率校正的意义
2.1功率校正的原因
电力电子装置的大量应用给电力系统注入了越来越多的谐波,使系统的功率
因数降低,造成电网供电质量下降,干扰周围电气设备正常运行,这一问题已引起人们极大的重视。
如何抑制这些谐波,改善供电质量己成为一个重要的研究课题。
在电力电子装置中,开关功率变换器的功率因数校正及控制就是该领域的一个重要方面。
目前,这一重要课题研究中,常用的是基于Boost电路的功率因数校正(PowerFactorCorrection)技术,本次课设设计了有源功率因数校正电路。
本章以AC/DC变换器为例,分析了普二极管整流电路产生谐波电流的原因及谐波电流的危害,引出了非正弦电路中谐波和功率因数的关系,介绍了抑制谐波和提高功率因数的途径,得出了本文提高AC/DC变换器输入端功率因数的策略及有源功率因数校正技术。
2.2AC/DC变换器输入电流的谐波分析及危害
传统的AC/DC电能变换器和开关电源,其输入电路普遍采用了图1.1所示的全桥二极管不控整流方式。
虽然不控整流器电路简单可靠,但它们会从电网中吸取高峰值电流,使输入端电流和交流电压均发生畸变。
大量电气设备自身的稳压电源,其前置级电路实际上是一个峰值检波器,高压电容滤波器上的充电电压使整流器的导通角减小3倍,电流脉冲变成了非正弦的窄脉冲,因而,如图1.2所示,在电网输入端产生了失真很大、时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流。
输入电流中谐波的主要危害有:
1)使电容器的正常阻抗减小,造成电容器的负荷增大,甚至被烧毁。
2)使电子设备正常工作受到影响、对通讯设备产生信号干扰、继电保护装置发生误动作。
3)谐波倒流入电网,引起严重的谐波“污染”及母线上的电压畸变,干扰其它设备的正常运行。
4)谐波电流通过电机、变压器,将增大铁损,使电机、变压器铁芯过热,还会产生附加谐波转矩、机械振动等。
这些都严重影响电机的正常运行,缩短了它的使用寿命。
另外,严重的电流畸变使输入电流有效值变大,电流的集肤效应增强,
导致了电网中产生附加损耗。
3功率因数校正原理
3.1功率因数(PF)的定义
功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。
功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。
功率因数低,说明电路用于交变磁场转换的无功功率大,增加了线路供电损失,因此供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。
在交流电路中,电压与电流之间的相位差(Φ)的余弦叫做功率因数,用符号cosΦ表示,在数值上,功率因数(PF)是有功功率(P)和视在功率(S)的比值,即
式中cosφ——功率因数;
P——有功功率,kW;
S——视在功率,kV.A;
U——用电设备的额定电压,V;
I——用电设备的运行电流有效值,A;
——用电设备电流基波电流,A;
——输入电流波形畸变因数。
所以功率因数可以定义为输入波形畸变因数(
)与相移因数(
)的乘积,可见功率因数(PF)由电流失真系数(
)和基波电压、基波电流相移因数(
)决定。
由于常规整流装置常使用非线性器件(如可控硅、二极管),整流器件的导通角小于180o,从而产生大量谐波电流成份,而谐波电流成份不做功,只有基波电流成份做功。
所以相移因数(
)和波形畸变因数(
)相比,输入波形畸变因数(
)对供电线路功率因数(PF)的影响更大。
3.2PF与功率因数的关系
3.3有源功率因数校正方法分类
1.按电路结构分
(1)降压式:
因噪声大,滤波困难,功率开关管上电压应力大,控制驱动电平浮动,很少被采用。
(2)升/降压式:
需用二个功率开关管,有一个功率开关管的驱动控制信号浮动,电路复杂,较少采用。
(3)反激式:
输出与输入隔离,输出电压可以任意选择,采用简单电压型控制,适用于150W以下功率的应用场合。
(4)升压式(boost):
简单电流型控制,PF值高,谐波失真小,效率高,但是输出电压高于输入电压,应用最为广泛。
它具有以下优点:
(1)电路中的电感L适用于电流型控制。
(2)由于升压型APFC的预调整作用在输出电容器C上保持高电压,所以电容器C体积小、储能大。
(3)在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数。
(4)输入电流连续,并且在APFC开关瞬间输入电流小,易于EMI滤波。
(5)升压电感L能阻止快速的电压、电流瞬变,提高了电路工作可靠性。
2.按输入电流的控制原理分
①平均电流型:
工作频率固定,输入电流连续(CCM),波形如图1(a)所示。
这种控制方式的优点是:
(1)恒频控制。
(2)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。
(3)能抑制开关噪声。
(4)输入电流波形失真小。
主要缺点是:
(1)控制电路复杂。
(2)需用乘法器和除法器。
(3)需检测电感电流。
(4)需电流控制环路。
②滞后电流型:
工作频率可变,电流达到滞后带内发生功率开关通与断操作,使输入电流上升、下降。
电流波形平均值取决于电感输入电流,波形图如图1(b)所示。
③峰值电流型:
工作频率变化,电流不连续(DCM),工作波形图如图1(c)所示。
DCM采用跟随器方法具有电路简单、易于实现的优点,但存在以下缺点:
(1)功率因数和输入电压Vin与输出电压VO的比值
有关。
即当Vin变化时,功率因数PF值也将发生变化,同时输入电流波形随
的加大而THD变大。
(2)开关管的峰值电流大(在相同容量情况下,DCM中通过开关器件的峰值电流为CCM的两倍),从而导致开关管损耗增加。
所以在大功率APFC电路中,常采用CCM方式。
④电压控制型。
工作频率固定,电流不连续,工作波形图如图1(d)所示。
图1输入电流波形图
4有源功率因数校正的实现
下面以常见的美国TI公司生产的APFC用集成电路UC3854介绍其性能特点、工作原理与典型应用电路。
4.1UC3854控制集成电路
4.1.1UC3854引脚功能
UC3854引脚功能如表3-1所示。
表3-1UC3854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)
CAout
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)
Multout
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)
VAout
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)
V检测
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10V~16V
(16)
GTDRV
PWM信号的图腾输出端,外接MOSFET管的栅极,该电压被钳位在15V
4.1.2UC3854中的前馈作用
UC3854的电路框图和内部工作框图如图2、图3所示。
在APFC电路中,整流桥后面的滤波电容器移到了整个电路的输出端(见图2、图4中的电解电容C),这是因为Vin应保持半正弦的波形,而Vout需要保持稳定。
从图3所示的UC3854工作框图中可以看到,它有一个乘法器和除法器,它的输出为
,而C为前馈电压VS的平方,之所以要除C是为了保证在高功率因数的条件下,使APFC的输入功率Pi不随输入电压Vin的变化而变化。
工作原理分析、推导如下:
乘法器的输出为
式中:
Km表示乘法器的增益因子。
Kin表示输入脉动电压缩小的比例因子。
电流控制环按照Vin和电流检测电阻Ro(参见图2)建立了Iin。
Ki表示Vin的衰减倍数
将式(3)代入式(4)后有
如果PF=1效率η=1有
由(6)可知:
当Ve固定时,Pi、Po将随V2in的变化而变化。
而如果利用除法器,将Vin除以一个
可见在保证提高功率因数的前提下,Ve恒定情况下,Pi、Po不随Vin的变化而变化。
即通过输入电压前馈技术和乘法器、除法器后,可以使控制电路的环路增益不受输入电压Vin变化的影响,容易实现全输入电压范围内的正常工作,并可使整个电路具有良好的动态响应和负载调整特性。
在实际应用中需要加以注意:
前馈电压中任何100Hz纹波进入乘法器都会和电压误差放大器中的纹波叠加在一起,不但会增加波形失真,而且还会影响功率因数的提高。
前馈电路中前馈电容Cf(图2、图4中的Cf)的取值大小也会影响功率因数。
如果Cf太小,则功率因数会降低,而Cf过大,前馈延迟又较大。
当电网电压变化剧烈时,会造成输出电压的过冲或欠冲,所以Cf的取值应折中考虑。
4.2UC3854的典型应用电路
原理图如图4所示。
图4UC3854的典型应用电路
4.3功率因数校正原理图
基于CCM-BOOST功率因数校正电路设计包括主电路设计和控制电路的设计。
主电路主要包括工频整流桥、输入电感、开关管、续流二极管、输出滤波电容等。
控制电路主要是PWM电流控制芯片UC3854集成电路。
功率因数校正原理图如图5所示:
图5功率因数校正原理图
4.4主电路设计
4.4.1升压电感设计
电感将决定在输入侧高频纹波电流的大小,且它的值与纹波电流的大小有关。
电感值由输入侧的交流电流峰值来决定。
由于最大的峰值电流出现在线电压为最小值,负载最大时,所以有:
最大峰值线路电流
(
时)为:
,其中
为输入电压最小值,取180V。
纹波电流△I按下式计算,峰-峰值纹波电流通常选择在最大峰值电流的20%左右即有:
低电网线路电压时经整流的峰值电压
则在
时的占空因数
则升压电感器的电感
开关频率
,故取
4.4.2输出电容
输出电容器电容
的典型值一般按每瓦l~2
确定。
记
为维持时间(秒),
是最小输出电容器电压,则
=68ms,
取
4.4.3选择功率管MOSFET及续流二极管
对于MOSFET,为了使管子有较宽的工作区,将按照电路可能工作的最严
重情况选择额定参数。
输入电压为
,
,功率管额定电流
通常考虑两倍裕量,故管子的额定电流值取为1.5A。
对于续流二极管,二极管额定电流
同样考虑两倍的额定裕量,则取二极管的额定电流值为3.3A。
根据上述额定电压,额定电流要求,可选择相应功率开关管APT10026L2LL型MOSFET管,其额定指标为38A/1000V和二极管。
5基于UC3854的MATLAB仿真
5.1仿真模型连接
MATLAB仿真模型如图6所示:
图6MATLAB仿真模型
5.2仿真结果
交流侧输入电流波形如图7所示:
图7输入电流波形
图8输入电压波形
6小结与体会
本次课设是设计CCM-BOOST功率因数校正电路,电力电子装置的大量应用给电力系统注入了越来越多的谐波,使系统的功率因数降低,造成电网供电质量下降,这一问题已引起人们极大的重视,目前有效的办法就是使用功率校正电路对功率因数进行校正。
在分析了不同功率校正电路的优缺点后我选择了CCM-BOOST功率校正电路,以UC3854为核心的控制芯片,并且对主电路的相关参数进行了计算,最终用MATLAB搭建仿真模型,得到输入电流和输入电压波形,从仿真结果可以看出,运用功率因数校正电路确实使功率因数得到了提高。
实践表明,在合理配置电路参数的情况下,不仅获得了稳定的直流输出,而且实现了功率因数校正。
通过本次课设,不仅使我重新温故了理论知识,也使我学到了许多新知识,同时让我进一步掌握了MATLAB的运用,对我今后的学习和工作有很大的促进作用。
而且在这次课设中我也认识到了自己的一些不足之处,需要及时的改正,使自己能够不断进步。
参考文献
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