高功率因數電源

——PFCXX、XXX、XXX武漢紡織大學創新實驗室2011年7月㈠、題目設計要求

（詳細設計參考請參見18~38面）一、任務設計并制作一臺具有功率因數校正環節(PFC)的整流電源，要求輸出直流電壓Uo為36V，最大負載電流為2A，負載為電阻性負載，其電路原理框圖如圖1所示。二、要求1、基本要求（1）當電壓U2為(15～19)V，負載電流IO為(0.5～2)A時，要求輸出電壓UO穩定在36V，其誤差的絕對值小于5%。（2）變壓器副邊電流I2的波形應為正弦波，失真度小于5%。（3）電路功率因數大于0.95（在變壓器副邊測量）。（4）輸出電路具有過流保護功能(輸出電流Io達2.5A時自動保護)。2、發揮部分（1）設計制作檢測輸出電壓和輸出電流的測量電路，其測量誤差絕對值小于2%。（2）當U2電壓為18V，負載電流為(0.5～2)A時，能對輸出電壓UO在(30～36)V范圍內設定，其測量誤差的絕對值小于2%。（3）設計制作功率因數測量電路，其測量誤差的絕對值小于2%。（4）其他。三、說明1、至少使用2片TI芯片，推薦采用TI公司PFC控制芯片UCC28019。2、功率因數說明：在假設變壓器副邊電壓U2為標準正弦波條件下，功率因數的計算公式為：

式中：U2、I2分別為變壓器副邊的電壓、電流有效值，I21為I2中的基波分量,1為U2和I21之間的相位差。考慮到本題電路的特點，為計算簡單，可以用U2、I2之間相位差的余弦cos作為功率因數。3、在隔離變壓器前用自耦變壓器調整輸入電壓，用滑線變阻器模擬負載。4、為測試方便，在制作電路時，留出U2、I2、UO、IO的測試點。5、調試時，要防止輸出端開路或短路。6、設計報告正文中應包括系統總體框圖、核心電路原理圖、主要流程圖、主要的測試結果。完整的電路原理圖、重要的源程序用附件給出。㈡、高功率因數電源產生的背景傳統的AC-DC變換由交流電網經整流電路采用電容濾波獲得直流電壓，這種變換電路主要缺點有：（a）、輸入交流電壓是正弦波，但輸入的交流電流是脈沖電流，波形嚴重畸變，干擾電網電壓，產生向四周輻射和沿導線傳播的電磁干擾；（b）、為了得到可調的直流電壓，采用晶閘管可控整流電路，但脈動很大，需要很大的濾波器才能得到平穩的直流電壓。此外交流電流中含有大量的諧波電流，使電網中電流波形嚴重畸變，電源的輸入功率因數低，利用效率下降。㈢、提高功率因數的措施（1）、附加無源濾波器。在整流器和濾波電容之間接入一個濾波電感Lz，增加輸入端交流電流的導電寬度，減緩電流沖擊，減小波形畸變，從而減小電流的諧波成分。（2）、有源PFC有源功率因數校正簡稱APFC，主要控制輸入電流呈正弦波變化，且與輸入電壓之間的相位差盡可能接近為0，即功率因數接近為1。按照輸入電流的控制，有源功率因數校正有以下幾種方法：(a)平均電流型：工作頻率固定，輸入電流連續（CCM），該控制方式的優點有：（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。（b)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。(c)峰值電流型：工作頻率變化，電流不連續（DCM）。(d)電壓控制型：工作頻率固定，電流不連續。㈣、方案選取無源功率因數校正電路一般最高只能達到0.9的功率因數，無法滿足題目基本部分0.95的功率因數的要求，故我們選擇有源PFC。有源PFC集成控制芯片有很多種，比如像UC3854、UC3855、UCC28019.由于UCC28019外圍電路簡單，調試方便，方案已經相當成熟，故我們采用該方案。㈤、電路參數設計UCC28019控制電路原理圖Boost主電路原理圖1.主回路器件的選擇及參數計算：主電路采用Boost主電路結構；交流220V輸入，經過EMI濾波，隔離變壓器選擇250W、18V輸出的隔離變壓器；R1和R4電阻分壓檢測交流輸入電壓U2，Rs2取樣電阻檢測輸入電流I20，阻值取0.1歐，輸入電流接近7A；整流橋采用15A金屬封裝的整流橋；R2和R5電阻分壓檢測整流橋的輸出電壓；Rs3取樣電阻檢測電感中的流過的電流，阻值取0.04歐；R3和R6分壓檢測輸出電壓；RL1為電阻可變負載；Rs1取樣電阻檢測輸出電流，阻值取0.05歐。開關管要求工作在65KHz，在系統中取IRFP460,最大反向電壓可到500V，最大電流20A，導通電阻小，開關管上升時間為120ns.可滿足題目要求。D1二極管主要的功能是使系統快速啟動，系統中采用FR307，快恢復二極管D2取1個MUR3060雙管并聯使用，需要加散熱裝置。

2.PFC控制電路設計與參數計算：PFC控制電路采用TI公司的專用PFC芯片UCC28019，作為整個校正系統的控制器。UCC28019為持續傳導模式的PFC控制器，鋸齒波振蕩頻率為65K，輸出方波最高占空比為97%，內帶5V的電壓基準，推挽式輸出的驅動電壓可達12.5V，電流達1.5A。具有電源輸入軟啟動保護，以及反饋電壓欠壓，過壓鎖存，和峰值電流限制，此外還設有電壓，電流反饋補償端。校正后的功率因數可達0.99以上，特別適用于BOOST升壓電路，輸入電壓范圍寬，輸出功率大。FPC控制的電路設計如下圖示：圖４PFC控制及主電路設計圖控制電路15V電壓供電，圖中R7和C7對輸入電壓值進行濾波，R7采用221歐的電阻，C7取1000pF，Ｃ8是電流環的補償電容，取值1200pF，C6輸入電壓采樣后的濾波電容，取值0.68uF，C9，C10，R8為電壓環的補償環節，R8取值33.2K，C10取值3.3uF，C9取值0.22uF。整體電路具體參數如圖中所示㈥、有待改進的方面：1、輸入交流電流波形毛刺很嚴重，如圖所示：2、輸出負載電流Io無法上到2A我們是使用上屆學長訂做的由多股線繞制的500uH的電感，負載電流Io達到1.7A時，電感發聲就很嚴重，此時主電路工作不正常，輸入交流電壓、交流電流的失真很嚴重。如圖所示：這很有可能是電感電流上不去，電感的額定電流太小了。如果減小流過電感的電流，或是增大電感的額定電流值，問題也許就得到解決。3、接線不規范使用杜邦線太多，造成系統不穩定因素很多，同時也引入了大量的電磁干擾，在以后設計電路的時候，要有意識的去規劃好各模塊電路，盡量方便接線、減少接線，避免引入不必要的電磁干擾。4、理論知識不足這個也是目前存在的最嚴重的問題，這個問題在現在特別突出，這幾次做的題目，我們幾乎都是參考學長給的電路圖，連電路的參數也是選擇的一樣的。但是如果說讓我們把BUCK、BOOST、PFC控制的原理、思想方法講清楚，恐怕很難。這就存在一個理論空洞。我一直都有這樣一種觀點：芯片選取、實際采用的方法是會不斷改變或是升級的，但是有些設計的基本思想、基礎的理論、基本理念是不會改變的。基礎扎實，才會不斷有所創新。以后做題，在加快進度的同時，還要有意識的加強理論知識的培養，要知其然，也要知其所以然。㈦、心得體會：轉入做電源的題目后，思維方式與以前做儀器儀表時有很大的不同，電源的題目，主體電路一般就是固定的，我們只能一條道走到黑，但是它的參數（主要包括濾波電感L、輸出電容C，輸出反饋電阻網絡Rf）需要精心計算，每一步設計都要有理有據。特別是在調試電路的時候，思路一定要清晰，否則就很容易忽視一些最基本的問題，而造成很嚴重的后果。（a）變壓器副邊的地與Boost主電路的地就不能共在一起。變壓器副邊的地為浮地，流經其電流的方向是變化的，而Boost主電路的地，流經其電流的方向是固定的。上面的這個電路，由于共地問題，我們就不能用一個示波器既測輸入交流電壓（或交流電流）的波形，同時又測量輸出直流電壓（或者G極驅動PWM）的波形。因為示波器兩路通道的地在內部已經是連在一起的。而且在做測量電路的時候，如果不做任何處理，測電壓、電流電路與測功率因數角的電路需要兩個電源分別供電，數據處理需用兩個單片機，或者將測量功率因數角的電路經光耦合隔離電路后再測量，這樣就只需一個單片機。還可以采用差分輸入運放，這樣也可以解決浮地的問題。（b）PI調節典型應用電路：R1這個電阻在電路中是必不可少的。但是在我們應用的時候，卻往往忽略了這一點。輸出電壓經分壓電阻分壓后再經電壓跟隨，我們想的是與前級電路隔離，但卻不知跟隨器的輸出電阻為零，PI調節缺少P這一項，導致輸出電壓一直上升，工作不正常，有可能超過輸出濾波電容的耐壓值。（c）加法器電路：這個電路能夠實現Vfb=Vf+VDA嗎？比較這個電路與剛才的加法電路，它們有什么區別？從VDD的值和萬用表的仿真數據，我們已經得到答案！你看出來了嗎？（d）INA128低端采樣電流的問題注意INA128一定是在低端采樣的。否則內部過壓保護，輸出就不正常。這個在負載滑動變阻器兩端接線的時候注意一下就可以了。當時我們用INA128采得的交流輸入電壓的波形如圖：

我想可能就是因為INA128內部過壓保護作用或是輸入共模電壓受限造成的。如果換成差分輸入運放，也許可以采樣到正弦電壓波形。轉換后的直流輸出電壓經一級低通濾波，可以減少尖峰電流，這樣使得測量值更接近儀表讀數。㈧、附錄：一、各測量與控制模塊原理圖1、（電壓、電流）相位測量電路1.1、（電壓、電流）相位測量電路（方案二）2、繼電器過流保護執行電路3、過電流檢測與放大電路