電網(wǎng)輸入實現(xiàn)高功率因數(shù)

1、現(xiàn)代電力電子技術(shù) 學(xué)院：自動化信息工程學(xué)院 專業(yè)：電力電子與電力傳動 學(xué)號： 姓名： 日期： 作業(yè)：輸入：單相，工頻，220V，電網(wǎng)波動5%；輸出：直流40V，1KW，負載變化范圍在100%20%，超載20%可運行 10s，輸出電壓穩(wěn)定度3%，紋波系數(shù)不大于2%，電網(wǎng)輸入實 現(xiàn)高功率因數(shù)（PF0.95）；要求：設(shè)計主電路和控制電路以及控制策略；選用適當(dāng)?shù)姆抡孳浖M 行仿真；提交：設(shè)計報告（設(shè)計方案確定、參數(shù)、電路及仿真）。電網(wǎng)輸入實現(xiàn)高功率因數(shù)第1章 緒論1.1設(shè)計背景 隨著電力電子裝置越來越多地使用，諧波大量產(chǎn)生，而傳統(tǒng)的交直流(AC/DC)變換電路由二極管或晶閘管構(gòu)成， 若電網(wǎng)中注入大量諧

2、波和無功，則會構(gòu)成電網(wǎng)污染傳統(tǒng)的變換電路因諧波超標(biāo)，已逐步被取代變換器的無源濾波技術(shù)，多采用LC等無源器件，體積大、功耗高采用有源功率因數(shù)校正(APFC)，能使AC/DC變換電路的網(wǎng)絡(luò)功率因數(shù)接近1，不會產(chǎn)生諧波電流鑒于此，擬以Boost電路為主電路，采用 APFC 技術(shù)設(shè)計單相AC/DC變換電路，以解決傳統(tǒng)交直流變換電路普遍存在的功率因數(shù)較低、易產(chǎn)生電網(wǎng)污染等問題。1.2功率因數(shù)的相關(guān)定義 功率因數(shù)(PF)是用來衡量輸入電能質(zhì)量的參數(shù),其定義為:有功功率與視在功率的比值。即: （1-1）式中,為有功功率;為視在功率;代表基波因數(shù)(畸變因數(shù))。則稱為位移因數(shù)(基波功率因數(shù))。所以,由式(1-1

3、)可得,功率因數(shù)的大小與畸變因數(shù)和位移因數(shù)二者有關(guān),二者的乘積決定其性能。電壓總諧波畸變率可由下式?jīng)Q定,即:1.3功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展及分類 功率因數(shù)校正技術(shù)主要可區(qū)分為兩大類,即無源功率因數(shù)校正(PPFC)技術(shù)和有源功率因數(shù)校正(APFC),分類依據(jù)在于是否采用有源器件。1.3.1無源功率因數(shù)校正(PPFG)發(fā)展最初實現(xiàn)功率因數(shù)校正的手段是利用電感和電容構(gòu)造無源網(wǎng)絡(luò),憑借電感電容的續(xù)流、穩(wěn)壓作用,從而擴大了整流橋的導(dǎo)通角,這項早期的研究,稱為無源PFC技術(shù)。典型的無源功率因數(shù)校正電路如下圖1-1所示。但無源PFC的工作性能不穩(wěn)定,極易受各類因素的影響,例如電網(wǎng)頻率、負載及輸入電壓跳變等等。

4、此外電路在工頻下工作時,需要考慮濾波器體積和重量大等實際問題,難以得到高的功率因數(shù),造成輸入諧波電流的抑制效果不是很理想,因而無源PFC較少使用在100W以上的開關(guān)電源中。圖1-1 典型無源功率因數(shù)校正圖1.3.2有源功率因數(shù)校正(APFC)發(fā)展 20世紀70年代以后,開關(guān)變換技術(shù)突飛猛進,為功率因數(shù)校正技術(shù)打下了快速發(fā)展的基礎(chǔ)。進入80年代以后,現(xiàn)代有源功率因數(shù)的發(fā)展進入了初級階段。隨著時間的推移,20世紀80年代中期,微電子技術(shù)的幅起,為PFC技術(shù)提供了發(fā)展的空間。之后基于專用IC的有源PFC技術(shù)幵始面向市場。 當(dāng)前比較常見的APFC技術(shù)是由DC/DC變換得到的一種電流整形方法。其電路原理

5、框圖如圖1-2。圖1-2典型有源功率因數(shù)校正電路圖 在當(dāng)代電力電子領(lǐng)域,功率因數(shù)校正技術(shù)有著不可或缺的地位。近年來各國專家學(xué)者對PFC的研究熱潮不減,目前國內(nèi)外對PFC技術(shù)的研究主要著眼于兩大板塊,即如何優(yōu)化電路工作性能和簡化整體電路結(jié)構(gòu)。對于新的PFC電路拓撲的研究(如本文采用的無橋變換器),新型控制方式的探索及對PFC電路的EMI分析和抑制措施研究,都是專家學(xué)者探討的熱點話題。1.4本設(shè)計的主要內(nèi)容 本設(shè)計研究了一種在CCM模式下的Boost PFC拓撲,簡析了電路工作模態(tài),并指出了電路中存在的不足。進而在該電路的基礎(chǔ)上加以改進,提出了Boost升壓變換器。工作內(nèi)容具體如下:.闡述背景,研

6、究目的和意義、PFC技術(shù)的發(fā)展概況以及目前國內(nèi)外的研究熱點,繼而詳細整理功率因數(shù)校正技術(shù)的控制策略。.對比傳統(tǒng)Boost變換器效率低的缺點,引入目前效率較高的Boost變換器,進而引出了對改進型Boost變換器的研究;.詳細分析了基本型Boost PFC拓撲的工作模態(tài)和電路特性,對比分析了改進型PFC拓撲,并選用了基于平均電流控制IC進行了電路設(shè)計,給出了各元件參數(shù),并利用PSIM進行系統(tǒng)仿真,驗證數(shù)據(jù)的可靠性。第二章 功率因數(shù)校正主電路拓撲及控制策略分析2.1 PFC主電路拓撲 有源功率因數(shù)校正電路是由主電路及控制電路兩部分構(gòu)成。對于主電路拓撲結(jié)構(gòu)的選取,只要能夠滿足電流跟隨電壓的要求,理論

7、上任何一種變換器如Boost、Buck等基本電路拓撲都可以作為PFC的主電常見的用于PFC的電路結(jié)構(gòu)有升壓型(Boost)、降壓型(Buck)、降升壓型(Buck-Boost)等。其中Buck與Boost是最基本的,其它結(jié)構(gòu)都是這兩種結(jié)構(gòu)的演變。(1)升壓式(Boost)電路:圖2-l所示的升壓(Boost)電路,該電路可實現(xiàn)輸出電壓的升壓功能。目前APFC技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的。圖2-1 升壓(Boost)電路(2)降壓式(Buck)電路:Buck電路用于實現(xiàn)降壓功能,其拓撲如下圖2-2所示。Buck電路特征是輸出電壓低于輸入電壓。由于整個電路噪聲較大,濾波也困難,所以目前己很少用于功率因數(shù)校

8、正電路。圖2-2 降壓式(Buck)電路2.2常見的APFC電路的控制策略分析 有源功率因數(shù)校正電路總體可分為主電路和控制電路兩大部分。原則上任一種DC/DC變換器拓撲都可用作PFC的主電路,但由于Boost電路結(jié)構(gòu)簡單、效率高、穩(wěn)定性好,優(yōu)點比較突出,因而成為目前應(yīng)用最廣泛的PFC主電路。依據(jù)電感電流連續(xù)與否,有源PFC電路又可以分為不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)和連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM),下文將展開介紹。2.2.1 DCM控制模式 DCM控制模式是PFC電路中簡單而又實用的一種控制方法,DCM控制模式又被稱為電壓跟蹤法。最容易實現(xiàn)的DCM控制是采取恒頻固定占空比控制。2.2.2 CCM控制模式CC

9、M模式在中大規(guī)模電路中的應(yīng)用較為廣泛,可劃分為直接電流控制和間接電流控制兩類,劃分標(biāo)準是是否取用電感電流作為電路的控制及反饋量。平均電流控制方法平均電流控制又稱三角載波控制,是目前PFC電路中應(yīng)用最廣的,也是最理想的一種控制方法。圖2-3為平均電流控制原理圖及該模式下輸入電流波形圖。平均電流控制電路中增加了一級PI電流控制環(huán)。工作過程如下:整流后的電壓信號經(jīng)過檢測模塊后送入乘法器,電壓誤差放大器的輸出信號也送入乘法器,二者相乘,得到電流基準信號電感電流經(jīng)采樣后與基準信號進行比較放大,再送入比較器與高頻三角波發(fā)生器輸出的鋸齒波信號進行比較,最后輸出的PWM信號送入開關(guān)管門級,用來驅(qū)動功率開關(guān)管開

10、通與關(guān)斷。由圖2-3右側(cè)波形圖可以看出,平均電流控制將電感電流信號與高頻三角波信號疊加,當(dāng)疊加值高于基準電流信號時,控制開關(guān)管關(guān)斷;反之,則開關(guān)管導(dǎo)通。常見的平均電流控制的IC有ML4821、UC3854等,本課題使用的就是UC3854來實現(xiàn)功率因數(shù)校正的目的。圖2-3 平均控制原理及輸入電流波形圖優(yōu)點:開關(guān)頻率固定,電流環(huán)增益帶寬較高,電感電流峰值/平均值誤 差小,易實現(xiàn)高功率因數(shù),適用于大功率電路。缺點:控制電路較為復(fù)雜,需要實用模擬乘法器,并且需要對電感電流 進行采樣,成本較高。2.3傳統(tǒng)PFC電路的分析研究 Boost變換器因其拓撲結(jié)構(gòu)簡單、變換效率高、控制策略易實現(xiàn)等優(yōu)點,被廣泛用作

11、PFC電路。如圖2-4所示,該變換器包括電感電流和電容電壓兩個狀態(tài)變量,是一個二階系統(tǒng)。其工作原理如下:圖2-4 升壓（Boost）電路 在一個周期內(nèi),假設(shè)整個電路裝置工作在連續(xù)導(dǎo)通模式。在輸入電壓正半周階段,幵關(guān)管S受到觸發(fā)而導(dǎo)通,輸入電流經(jīng)過兩個二極管D1和D4、電感L、功率管S形成一個環(huán)路,電感的電流線性上升,此為電感電流的充電階段,而負載的能量則由輸出電容來提供;當(dāng)幵關(guān)管S被受控關(guān)斷時,輸入電壓和電感電流同時向負載提供能量,電感電流下降,同時輸出電容被充電以維持負載能量傳遞的連續(xù)性。當(dāng)輸入電壓為負半周階段,由于電路結(jié)構(gòu)整流橋二極管的對稱性,D1對應(yīng)D2,D3對應(yīng)D4,因此電壓波形負半周

12、的工作原理與正半周階段類似。第三章 主要器件的選擇與參數(shù)計算本章對升壓PFC電路進行了設(shè)計,對電路中各元器件的參數(shù)及選型進行了詳細的說明。電路具體分為兩大模塊:主電路部分及控制電路部分。下面將分別對各模塊的設(shè)計進行具體分析。系統(tǒng)首先進行變壓器的降壓，在整流濾波之后再進行Boost升壓,從而達到設(shè)計要求。設(shè)計主要參數(shù)及要求如下:(1)交流輸入電壓:220V，電網(wǎng)波動5%；(2)輸出直流電壓:40V，負載變化范圍在100%20%;(3)輸出電壓穩(wěn)定度3%，紋波系數(shù)不大于2%，電網(wǎng)輸入實現(xiàn)高功率因數(shù)（PF0.95）;(4)額定輸出功率:1KW。3.1主電路模塊設(shè)計3.1.1整流橋的選擇 本文設(shè)計的變

13、壓器輸出交流電壓為22V，整流橋的電流最大可達60A，為了得到較好的直流量，選擇整流橋的耐壓為50V以上，正向電流100A3.1.2電感電流采樣電路 主電路的選擇會直接影響到控制電路簡單與否以及EMI干擾等眾多問題。所以本文的主電路結(jié)構(gòu)釆用圖3-1所示的電路。 在傳統(tǒng)Boost PFC電路中,檢測電感電流的釆樣電阻通常位于整流橋輸出共地端,但在省略了整流橋的Boost PFC電路拓撲中,在一條完整回路上,電流信號無法保持極性一致,因而釆樣困難。為了解決該問題,提出一種電流互感器檢測方法,可以還原電感電流信號。如圖3-1所示。圖3-1 系統(tǒng)電流采樣3.1.3升壓電感的設(shè)計 功率因數(shù)校正電路的電路

14、性能與電感值有關(guān),輸入電流紋波的大小由升壓電感的取值決定。為了得到較小的紋波電流,必須使升壓電感足夠大。如果設(shè)計升壓電感電流紋波系數(shù)等于20%,滿載條件下,交流輸入電壓峰值達到最低時,輸入峰值電流達到最大。升壓電感上最大的峰值電流為:，本文設(shè)計的變換電路輸入電流峰值為44.4 A假如容許20% 的電流脈動，則有I=0.2×I2 =1.28A. 在升壓型轉(zhuǎn)換器中，最大紋波電流發(fā)生在占空比為50% 時，即升壓比M =V0/Vin= 2 時電感值是由半波整流最低輸出電壓時的電流峰值、占空比和開關(guān)頻率決定的， 其關(guān)系式如下:I2 時的占空比 D =(VoVin)/Vo=(40-22)/40=

15、0.45,Vin=22V輸入電壓為最低，L=（Vin*D）/(fs*I)=22*0.45/(20000*1.28)=0.39mH.3.1.4輸出電容的選擇 （1）輸出電容的大小由輸出電壓的波動程度決定在MOSFET管導(dǎo)通時，負載的輸出電流靠輸出電容放電維持設(shè) MOSFET 管導(dǎo)通時的電壓變化為U，假設(shè)負載流過的電流在此期間恒定， 則電容電壓和負載電壓下降量U =，式中為占空比，T 為周期/s根據(jù)上式即可確定輸出電容的大小，U 與I 和均有關(guān)考慮到輸出電容是由容許的輸出最大紋波電壓來決定的，電容的容量應(yīng)滿足C 式中，Io為輸出電流的最大值（2）輸出濾波大電容C,用來濾除工頻整流之后的lOOHz電

16、網(wǎng)紋波,降低輸出電壓紋波大小。設(shè)計規(guī)定輸出電壓紋波允許范圍為 U=±3V,輸出電容C計算得:C>Pn/(2*3.14*2f*UU)=6mF參考實際過程中電容裕量,這里選取8mF的電解電容.3.1.5輸出電流電阻根據(jù)設(shè)計要求，輸出功率為1000W，40V的電壓，由，有，電流。3.1.6 升降壓二極管的選擇 采用肖特基二極管代替二極管，能降低開關(guān)工作頻率， 減小開關(guān)損耗，提高電源的效率考慮正向?qū)ǖ膲航导胺聪虻幕謴?fù)時間，本設(shè)計選用MU1660C 肖特基二極管3.2 實驗系統(tǒng)仿真 計算機仿真技術(shù)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域,掌握應(yīng)用軟件對電路進行建模、仿真技術(shù),對優(yōu)化電路設(shè)計有重要的指導(dǎo)意義。

17、本課題使用的仿真軟件平臺是PSIM。3.2.1 仿真設(shè)計 圖3-2是運用Psim軟件對平均電流控制的Boost PFC變換電路進行的仿真實驗。在電路仿真模型中，主電路參數(shù)和控制電路參數(shù)選取如下： 網(wǎng)側(cè)輸入電壓220V; 輸出電容C：6mF; 升壓電感L:0.39mH; 工頻頻率f:50HZ; 開關(guān)頻率100kHz; 額定輸出功率P:1kw; 輸出電壓U:40V。圖3-2為搭建的具體電路仿真模型。圖3-2 系統(tǒng)仿真電路圖3.2.2仿真波形圖3-3為電路模型仿真結(jié)果，圖顯示了PFC電路網(wǎng)側(cè)電壓波形。從圖中可以看到,電壓、電流同相位且是正弦波。圖3-4為輸出電壓波形,由圖可以看出,輸出電壓為22V。

18、圖3-5為變壓器的輸入輸出波形圖。圖3-3 網(wǎng)側(cè)電壓波形圖3-4 變壓器輸出電壓波形圖3-5 變壓器輸入輸出波形圖3-6 系統(tǒng)升壓負載端輸出電流圖3-7 系統(tǒng)輸出電壓波形圖3-8 系統(tǒng)輸出端電壓電流波形3.3 仿真分析及總結(jié)本章對升壓功率因數(shù)變換器硬件電路的具體參數(shù)進行了設(shè)計,并選取了符合電路要求的主要元器件,進而應(yīng)用軟件對電路進行仿真實驗,進一步驗證了設(shè)計的正確性。并進行了相關(guān)的數(shù)據(jù)測試,實驗結(jié)果得到驗證。 本文在對功率因數(shù)校正技術(shù)綜合分析的基礎(chǔ)上,主要研究了在CCM模式下的升壓PFC電路。相比于傳統(tǒng)PFC電路,由于升壓PFC主電路電流回路中所含通態(tài)元件比較少,因而導(dǎo)通損耗低,電路效率較高。并且設(shè)計了基于平均電流控制的改進型無橋升壓PFC變換器,實驗輸出電壓穩(wěn)定保持在40V,電路效率較高,PF達到97.5%，滿足設(shè)計要求，實驗結(jié)果證明無橋結(jié)構(gòu)高功率因數(shù)的效果。參考文獻：1林渭勛.現(xiàn)代電力電子技術(shù)M.機械工業(yè)出版社,20022一種有源功率校正的單相交直流變換電路設(shè)計(吳必瑞,謝善娟,鄭乃清) (寧德師范學(xué)