1、武漢理工大學電力電子裝置及系統課程設計說明書摘 要.1.1設計任務及要求 2.1.1 初始條件2.1.2 要求完成的主要任務 2.2功率校正的意義2.2.1 功率校正的原因 2.2.2 AC/DC變換器輸入電流的諧波分析及危害 33功率因數校正原理 4.3.1 功率因數（PF）的定義 4.3.2 PF與功率因數的關系5.3.3 有源功率因數校正方法分類54有源功率因數校正的實現 7.4.1 UC3854控制集成電路 7.4.1.2 UC3854中的前饋作用 94.2 UC3854的典型應用電路 1.14.3 功率因數校正原理圖124.4 主電路設計1.24.4.1 升壓電感設計124.4.2

2、輸出電容.134.4.3 選擇功率管MOSFET及續流二極管1 35 基于 UC3854 的 MATLAB 仿真1.45.1 仿真模型連接 1.45.2 仿真結果1.56小結與體會1.6參考文獻17武漢理工大學電力電子裝置及系統課程設計說明書摘要本文設計了一種高功率因數、低電磁干擾的單級CCM-BOOSW因數校正電路。首先對有源功率因數校正電路進行了詳細的分析。基于對有源功率因數校正電路的雙級式和單級式結構的特點比較，本文采用了單級式的電路結構。選擇 Boost電路為有源功率因數校正電路的主電路， 給出了 Boost電路的組成并分析了 它的工作過程。在此基礎上本文采用連續導電工作模式(CCM和

3、平均電流控制策略，并應用UC385作為有源功率因數校正電路的控制芯片。 XtUC38545片的工作 原理及各引腳功能作了介紹，對相應的控制部分的控制輸入、乘法器、電壓環和電流環部分進行了詳細的分析。在上述對有源功率因數校正電路做了優化基礎上，在輸入電壓為市電 220V/50 Hz條件下，對有源功率因數校正電路進行優化，輸出 400VS流電，并應 用MATLAB件進行了仿真計算。仿真結果與理論設計比較，兩者相當一致 ，表明 了本文所做的工作的正確性。關鍵詞：CCM-BOOS也率校正UC3854 MATLA項真18CCM-BOOST率因數校正電路仿真1設計任務及要求1.1 初始條件輸入交流電源：單

4、相220V,頻率50Hz。1.2 要求完成的主要任務1、基于CCM-BOOST式實現功率因數校正，輸入功率因數達到 0.99。2、輸出直流電壓：400V,輸出功率250W3、建立功率因數校正電路 Matlab仿真模型或者saber模型。4、進行仿真，得到交流側輸入電壓電流波形。2功率校正的意義2.1 功率校正的原因電力電子裝置的大量應用給電力系統注入了越來越多的諧波， 使系統的功率 因數降低，造成電網供電質量下降， 干擾周圍電氣設備正常運行，這一問題已引 起人們極大的重視。如何抑制這些諧波，改善供電質量己成為一個重要的研究課 題。在電力電子裝置中，開關功率變換器的功率因數校正及控制就是該領域的

5、一 個重要方面。目前，這一重要課題研究中，常用的是基于 Boost電路的功率因數 校正(Power Factor Correction)技術，本次課設設計了有源功率因數校正電路。本 章以AC/DC變換器為例，分析了普二極管整流電路產生諧波電流的原因及諧 波電流的危害，引出了非正弦電路中諧波和功率因數的關系， 介紹了抑制諧波和 提高功率因數的途徑，得出了本文提高 AC/DC變換器輸入端功率因數的策略 及有源功率因數校正技術。2.2 AC / DC變換器輸入電流的諧波分析及危害傳統的AC/DC電能變換器和開關電源，具輸入電路普遍采用了圖1.1所示的全橋二極管不控整流方式。雖然不控整流器電路簡單可靠

6、，但它們會從電網中 吸取高峰值電流，使輸入端電流和交流電壓均發生畸變。 大量電氣設備自身的穩 壓電源，具前置級電路實際上是一個峰值檢波器， 高壓電容濾波器上的充電電壓 使整流器的導通角減小3倍，電流脈沖變成了非正弦的窄脈沖，因而，如圖 1.2 所示，在電網輸入端產生了失真很大、時間很短、峰值很高的周期性尖峰電流。輸入電流中諧波的主要危害有：1）使電容器的正常阻抗減小，造成電容器的負荷增大，甚至被燒毀。2）使電子設備正常工作受到影響、對通訊設備產生信號干擾、繼電保護裝置發生誤動作。3）諧波倒流入電網，引起嚴重的諧波“污染”及母線上的電壓畸變，干擾其它設備的正常運行。4）諧波電流通過電機、變壓器，

7、將增大鐵損，使電機、變壓器鐵芯過熱，還會產 生附加諧波轉矩、機械振動等。這些都嚴重影響電機的正常運行， 縮短了它的使 用壽命。另外，嚴重的電流畸變使輸入電流有效值變大，電流的集膚效應增強， 導致了電網中產生附加損耗。3功率因數校正原理3.1 功率因數（PF）的定義功率因數是電力系統的一個重要的技術數據。功率因數是衡量電氣設備效率高低的一個系數。功率因數低，說明電路用于交變磁場轉換的無功功率大，增加了線路供電損失，因此供電部門對用電單位的功率因數有一定的標準要求。在交流電路中，電壓與電流之間的相位差（的余弦叫做功率因數，用符號cos表示，在數值上，功率因數（PF）是有功功率（P）和視在功率（S）

8、的比值，即PFP _ UI COSs-二 uiCOS式中cos（|）功率因數;P有功功率，kW;S視在功率,kV.A ;U 用電設備白額定電壓，V;I 用電設備的運行電流有效值，A ;Ii 用電設備電流基波電流，A;輸入電流波形畸變因數。所以功率因數可以定義為輸入波形畸變因數（ 尸）與相移因數（8s）的 乘積，可見功率因數（PF）由電流失真系數（尸）和基波電壓、基波電流相移因 數（8S電）決定。由于常規整流裝置常使用非線性器件（如可控硅、二極管），整流器件的導通角小于 1800,從而產生大量諧波電流成份，而諧波電流成份不 做功，只有基波電流成份做功。所以相移因數（ 8，）和波形畸變因數（了）

9、相比，輸入波形畸變因數（/）對供電線路功率因數（PF）的影響更大。3.2 PF與功率因數的關系PF =gg J1+9口 y3.3 有源功率因數校正方法分類1 .按電路結構分(1)降壓式：因噪聲大，濾波困難，功率開關管上電壓應力大，控制驅動電平 浮動，很少被采用。(2)升/降壓式：需用二個功率開關管，有一個功率開關管的驅動控制信號浮動， 電路復雜，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以下功率的應用場合。(4)升壓式(boost):簡單電流型控制，PF值高，諧波失真小，效率高，但是 輸出電壓高于輸入電壓，應用最為廣泛。它具有以下優點：(

10、1)電路中的電感L適用于電流型控制。(2)由于升壓型APFC的預調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)在整個交流輸入電壓變化范圍內能保持很高的功率因數。(4)輸入電流連續，并且在 APFC開關瞬間輸入電流小，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。2.按輸入電流的控制原理分平均電流型：工作頻率固定，輸入電流連續(CCM),波形如圖1 (a)所示。 這種控制方式的優點是：(1)恒頻控制。(2)工作在電感電流連續狀態，開關管電流有效值小、EMI濾波器體積小。(3)能抑制開關噪聲。(4)輸入電流波形失真小。主要缺點是：(

11、1)控制電路復雜。(2)需用乘法器和除法器。(3)需檢測電感電流。(4)需電流控制環路。滯后電流型：工作頻率可變，電流達到滯后帶內發生功率開關通與斷操作，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 1 (b) 所示。峰值電流型：工作頻率變化，電流不連續(DCM),工作波形圖如圖1 (c)所 示。DCM采用跟隨器方法具有電路簡單、易于實現的優點，但存在以下缺點：%(1)功率因數和輸入電壓Vin與輸出電壓VO的比值 囁 有關。即當Vin變化時，囁功率因數PF值也將發生變化，同時輸入電流波形隨 囁 的加大而THD變大。(2)開關管的峰值電流大(在相同容量情況下，DCM中通過開

12、關器件的峰值電 流為CCM的兩倍),從而導致開關管損耗增加。所以在大功率 APFC電路中, 常采用CCM方式。電壓控制型。工作頻率固定，電流不連續，工作波形圖如圖1 (d)所示。Ca平均由流型b滯后電能型圖1輸入電流波形圖4有源功率因數校正的實現下面以常見的美國TI公司生產的APFC用集成電路UC3854介紹其性能特 點、工作原理與典型應用電路。4.1 UC3854控制集成電路4.1.1 UC3854弓I腳功能UC3854引腳功能如表3-1所示表3-1 UC3854的弓I腳功能引 腳 號引腳 符號引腳功能GND接地端，器件內部電壓均以此端電壓為基準PKLMT峰值限定端，其閾值電壓為零伏與芯片外

13、檢測電阻負端相連，可與 芯片內接基準電壓的電阻相連，使峰值電流比較器反向端電位補償 至零(3)CA out電流誤差放大器輸出端，對輸入總線電流進行檢測，并向脈沖寬度 調制器發出電流校正信號的寬帶運放輸出(4)Isens e電流檢測彳營號接至電流放大器反向輸入端，（4）引腳電壓應圖于-0.5V （因采用二極管對地保護）(5)Mult out乘法放大器的輸出和電流誤差放大器的同相輸入端(6)Iac乘法器的前饋交流輸入端，與 B端相連，（6）引腳的設定電壓為6V, 通過外接電阻與整Vaout誤差電壓放大器的輸出電壓,這個信號又與乘法器 A端相連，但若低于1V乘法器便無輸出(8)Vrms前饋總線有效值

14、電壓端，與跟輸入線電壓有效值成正比的電阻相連 時，可對線電壓的變化進行補償(9)Vref基準電壓輸出端，可對外圍電路提供 10mA的驅動電流(10)ENA允許比較器輸入端，不用時與+5V電壓相連(11)V檢測電壓誤差放大器反相輸入端，在芯片外與反饋網絡相連，或通過分 壓網絡與功率因數校正器輸出端相連(12)Rset（12）端信號與地接入不同的電阻，用來調節振蕩器的輸出和乘法器的 最大輸出(13)SS軟啟動端，與誤差放大器同相端相連(14)Ct接對地電容器Ct,作為振蕩器的定時電容(15)Vcc正電源閾值為10V16V(16)GTdPWM信號的圖騰輸出端，外接 MOSFET管的柵極，該電壓被鉗位

15、4.1.2 UC3854中的前饋作用UC3854的電路框圖和內部工作框圖如圖 2、圖3所示保險就賽流橋圖2 UC3S54電路框圖圖3 UC3854內部工作框圖在APFC電路中，整流橋后面的濾波電容器移到了整個電路的輸出端（見圖2、圖4中的電解電容C）,這是因為Vin應保持平正弦的波形，而 Vout需要保 持穩定。從圖3所示的UC3854工作框圖中可以看到，它有一個乘法器和除法器，它AxB的輸出為 H ,而C為前饋電壓VS的平方，之所以要除C是為了保證在高功率因數的條件下，使APFC的輸入功率Pi不隨輸入電壓Vin的變化而變化。 工 作原理分析、推導如下： 乘法器的輸出為6二跖乂5又匕=太履M蒞

16、*又匕晁乂匕 (3)式中：Km表示乘法器的增益因子。Kin表示輸入脈動電壓縮小的比例因子。電流控制環按照Vin和電流檢測電阻Ro (參見圖2)建立了 Iin耽乙=苞xEL(4)2H 3%Ki表示Vin的衰減倍數將式(3)代入式(4)后有2 = M 乂艾理乂長認乂%2乂察.(5)凡如果PF=1效率4=1有片=寫匿加 XK&X 匕X0 (6)由(6)可知：當Ve固定時，Pi、Po將隨V2in的變化而變化。而如果利用除法器，將Vin除以一個C =(4* 乂， =后有(7)可見在保證提高功率因數的前提下，Ve恒定情況下，Pi、Po不隨Vin的變化而變化。即通過輸入電壓前饋技術和乘法器、除法器后，可以使

17、控制電路的環路增 益不受輸入電壓Vin變化的影響，容易實現全輸入電壓范圍內的正常工作，并可使整個電路具有良好的動態響應和負載調整特性。在實際應用中需要加以注意：前饋電壓中任何 100 Hz紋波進入乘法器都會 和電壓誤差放大器中的紋波疊加在一起， 不但會增加波形失真，而且還會影響功 率因數的提高。前饋電路中前饋電容Cf （圖2、圖4中的Cf）的取值大小也會影響功率因 數。如果Cf太小，則功率因數會降低，而 Cf過大，前饋延遲又較大。當電網電 壓變化劇烈時，會造成輸出電壓的過沖或欠沖，所以 Cf的取值應折中考慮。4.2 UC3854的典型應用電路原理圖如圖4所示UMM0.2EO HWri385V1

18、3COUTAPTUlb 門*。聲F n k*1IQDilF220k- 色罕_ wv“0 MM K，$UCMM圖4 UC3854的典型應用電路4.3 功率因數校正原理圖基于CCM-BOOST功率因數校正電路設計包括主電路設計和控制電路的設 計。主電路主要包括工頻整流橋、輸入電感、開關管、續流二極管、輸出濾波電 容等。控制電路主要是 PWM電流控制芯片UC3854集成電路。功率因數校正原理圖如圖5所示：圖5功率因數校正原理圖4.4 主電路設計4.4.1 升壓電感設計電感將決定在輸入側高頻紋波電流的大小，且它的值與紋波電流的大小有關。電感值由輸入側的交流電流峰值來決定。由于最大的峰值電流出現在線電壓

19、為最小值，負載最大時，所以有：最大峰值線路電流Ipk(Pn之Pomax時)為:I pkPin 三 2pO maxVrms(min)Vrms(min),2 250定 1.96A180其中 Vrms (min) 為輸入電壓最小伯,取180V 紋波電流 I按下式計算，峰-峰值紋波電流通常選擇在最大峰值電流的 20%左右即有：I =0.2 Ipk = 0.2 1.96 = 0.39A低電網線路電壓時經整流的峰值電壓 Vin. =1.414m180 = 254.6V，則在Ipk時的fr Vo -Vin(pk)占空因數D =-Vo400 - 254 .5400=0.364t .Vin(pk)D則升壓電感器

20、的電感 L =f I254.5 0364100000 0.39=2.38mH開關頻率f = 100kHz ,故取 L =2.4mH4.4.2 輸出電容輸出電容器電容C。的典型值一般按每瓦l2NF確定。記似為維持時間(秒)，Vo(min)是最小輸出電容器電壓，則_ _3t =68ms,Co=H00486F取C0 =500午4.4.3 選擇功率管MOSFET及續流二極管對于MOSFET,為了使管子有較寬的工作區，將按照電路可能工作的最嚴重情況選擇額定參數。輸入電壓為Vin(pk) = 254V , E(max) = 250W ,功率管額2 Po(max)16U o定電流 I rms 2-= 0.6

21、8A：,Uin(pk) 3-： U in( pk)通常考慮兩倍裕量，故管子的額定電流值取為1.5 Ao,16U0/ 八 A對于續流二極管，二極管額定電流Idms = c 一 一 =1.64A ；3 U in ( pk)同樣考慮兩倍的額定裕量，則取二極管的額定電流值為3.3A。根據上述額定電壓，額定電流要求，可選擇相應功率開關管 APT10026L2LL型MOSFET管, 其額定指標為38A/1000V和二極管。5 基于 UC3854 的 MATLA仿真5.1仿真模型連接MATLAB仿真模型如圖6所示:AC &陋RLCBr 日廿CursntLitesijrBrrST圖6 MATLAB仿真模型ua招寸1 1205.2仿真結果交流側輸入電流波形如圖7所示