功率校正電路設(shè)計(jì)與仿真和開(kāi)關(guān)電源中變壓器設(shè)計(jì)說(shuō)明

1、. . . . 南 京 理 工 大 學(xué)電力電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用作業(yè)姓 名:學(xué) 號(hào)：學(xué)院(系):自動(dòng)化學(xué)院專業(yè):電力系統(tǒng)與其自動(dòng)化題目一:功率因數(shù)校正電路的仿真題目二:開(kāi)關(guān)電源中變壓器設(shè)計(jì)呂廣強(qiáng)指導(dǎo)者： 2012年 1月功率因數(shù)校正電路仿真分析摘要：本文首先分析了功率因數(shù)校正的原理與方法，然后詳細(xì)介紹了U3854的功能和平均電流型控制的基于UC3854的有源功率因數(shù)校正電路的工作原理，以與以matlab下的Simulink為工具對(duì)該電路的建模和仿真分析。關(guān)鍵詞：功率因數(shù)；平均電流控制；PFC；Matlab仿真1 引言近年來(lái)，因開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用的日益普與，給電力系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)重的諧波污染和功率因數(shù)下降問(wèn)題

2、。這使功率因數(shù)校正（Power Factor Correction）技術(shù)（簡(jiǎn)稱PFC）成為電力電子技術(shù)研究的一個(gè)新熱點(diǎn)。PFC技術(shù)的目的就是通過(guò)一定的控制方法，使電源的輸入電流接近于正弦波且與輸入電壓同相，使功率因數(shù)接近為1。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，目前國(guó)際上已開(kāi)展多方面的研究，并開(kāi)發(fā)了一系列專用于PFC的集成電路。開(kāi)關(guān)電源PFC集成控制器顯示出強(qiáng)大的生命力，它具有集成度高，性價(jià)比高，外圍電路簡(jiǎn)單和性能指標(biāo)優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為開(kāi)發(fā)各類開(kāi)關(guān)電源與開(kāi)關(guān)電源模塊的優(yōu)選集成電路。2功率因數(shù)校正電路的原理2.1功率因數(shù)校正的必要性圖1 整流電路圖一般開(kāi)關(guān)電源的輸入整流電路部分如圖1所示在離線式開(kāi)關(guān)電源的輸入端，

3、AC電源經(jīng)全波整流后，一般接一個(gè)大電容器，以得到波形較為平直的直流電壓整流器-電容濾波電路是一種非線形元件和儲(chǔ)能元件的組合。圖2 整流電路輸入電壓電流仿真圖因此輸入交流電壓雖然是正弦的，但輸入交流電流波形卻嚴(yán)重畸變，呈脈沖狀，其結(jié)果可以由如圖1所示的整流電路的仿真結(jié)果得到驗(yàn)證。從圖2可以看出，輸入電流發(fā)生了嚴(yán)重畸變。因此，大量應(yīng)用整流電路，要求電網(wǎng)供給嚴(yán)重畸變的非正弦電流，造成的嚴(yán)重后果是：諧波電流對(duì)電網(wǎng)有危害作用，另外輸入端功率因數(shù)下降為了消除電流諧波和提高功率因數(shù)，必須在電路整流后加入功率因數(shù)校正電路。2.2功率因數(shù)（PF）功率因數(shù)是電源對(duì)電網(wǎng)供電質(zhì)量的一個(gè)重要衡量指標(biāo)。根據(jù)電路基本理論，

4、功率因數(shù)（Power Factor）定義為有功功率（P）和視在功率（S）的比值，用公式表示為：式中：輸入電流基波有效值；：電網(wǎng)電流有效值，其中，為輸入電流各次諧波有效值；：輸入電壓基波有效值；：輸入電流的波形畸變因數(shù)；：基波電壓和基波電流的位移因數(shù)。稱為畸變因數(shù)，它表示基波電流有效值在總的輸入電流有效值中所占的比例；稱為位移因數(shù)，它反映了輸入電流與輸入電壓之間的相位差。功率因數(shù)是畸變因數(shù)和位移因數(shù)的乘積，很顯然，當(dāng)輸入電流與輸入電壓是同頻同相的正弦波時(shí)，有PF=1。2.3功率因數(shù)和諧波的關(guān)系為了衡量高次諧波對(duì)總輸入電流的影響，定義總諧波畸變(Toatl HarmonicDistortion，T

5、HD)為:則與THD的關(guān)系為：，因此，又可推知得到功率因數(shù)的另一表達(dá)式：上式便是功率因數(shù)與總諧波畸變之間的關(guān)系，必需注意的是，上式的關(guān)系僅當(dāng)輸入電壓為正弦波，且輸入電流的基波與輸入電壓之間相位差為零時(shí)才成立。2.4功率因數(shù)校正的方法從本質(zhì)上來(lái)講，功率因數(shù)校正技術(shù)的目的是要使用電設(shè)備的輸入端口針對(duì)交流電網(wǎng)呈現(xiàn)“純阻性”，這樣輸入電流和電網(wǎng)電壓為同頻同相的正弦波，功率因數(shù)為1，不會(huì)產(chǎn)生諧波污染問(wèn)題。由功率因數(shù)的定義和總諧波畸變與功率因數(shù)的關(guān)系可知，要提高功率因數(shù)，有兩個(gè)途徑：(1)使輸入電壓、輸入電流同相位，也就是使，使相移因數(shù)。(2)使輸入電流正弦化， (諧波為零），從而。綜合這兩種方法,就可以

6、實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)為1的目標(biāo)，即。3 UC3854芯片介紹3.1 UC3854簡(jiǎn)介利用UC3854構(gòu)成的有源功率因數(shù)校正電路可以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正功能，減小交流輸入市電電流的諧波畸變，在UC3854部含有電壓放大器、模擬乘法器/除法器電路、電流放大器電路和恒頻PWM控制電路、同時(shí)還含有驅(qū)動(dòng)外接功率開(kāi)關(guān)管MOSFET驅(qū)動(dòng)輸出電路、7.5V基準(zhǔn)電壓源、交流市電輸入電壓預(yù)測(cè)電路、低供電電壓檢測(cè)電路和過(guò)電流比較器電路。UC3854利用平均電流控制技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)恒頻電流控制，具有工作穩(wěn)定性好和畸變小的優(yōu)點(diǎn)。不像電流峰值性控制，利用平均電流型控制技術(shù)可以在不采用諧波補(bǔ)償?shù)那疤釛l件下，使交流市電輸入電流波形為正弦波，并

7、且抗干擾能力強(qiáng)。UC3854的高基準(zhǔn)電壓值和高幅值的振蕩波形提高了它的抗干擾能力，而快速PWM控制電路可以使它的工作頻率高于200khz，UC3854可應(yīng)用于交流輸入供電電壓圍為75275V、電源的供電頻率圍為50400hz的有源功率因數(shù)校正場(chǎng)合，由于UC3854的工作電流小，所以簡(jiǎn)化了UC3854的供電電路部分的設(shè)計(jì)。 UC3854的引腳排列如圖3所示，對(duì)應(yīng)的引腳功能如表1所示，UC3854的部框圖和電路原理框圖如圖4和圖5所示。圖3 UC3854的引腳排列圖4 UC3854的部框圖圖5 UC3854電路原理框圖表1 UC3854的引腳功能引腳號(hào) 引腳符號(hào) 引腳功能(1)GND接地端，器件部

8、電壓均以此端電壓為基準(zhǔn)(2) PKLMT峰值限定端，其閾值電壓為零伏與芯片外檢測(cè)電阻負(fù)端相連，可與芯片接基準(zhǔn)電壓的電阻相連，使峰值電流比較器反向端電位補(bǔ)償至零(3) CAO電流誤差放大器輸出端，對(duì)輸入總線電流進(jìn)行檢測(cè)，并向脈沖寬度調(diào)制器發(fā)出電流校正信號(hào)的寬帶運(yùn)放輸出(4)ISENSE電流檢測(cè)信號(hào)接至電流放大器反向輸入端，(4)引腳電壓應(yīng)高于-0.5V（因采用二極管對(duì)地保護(hù)）(5)MOUT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(shè)定電壓為6V，通過(guò)外接電阻與整 (7)VAO誤差電壓放大器的輸出電壓，這個(gè)信號(hào)又與乘法器A端相連，但若低

9、于1V乘法器便無(wú)輸出(8)VRMS前饋總線有效值電壓端，與跟輸入線電壓有效值成正比的電阻相連時(shí)，可對(duì)線電壓的變化進(jìn)行補(bǔ)償(9)VREF基準(zhǔn)電壓輸出端，可對(duì)外圍電路提供10mA的驅(qū)動(dòng)電流(10)ENA允許比較器輸入端，不用時(shí)與+5V電壓相連(11)VSENSE電壓誤差放大器反相輸入端，在芯片外與反饋網(wǎng)絡(luò)相連，或通過(guò)分壓網(wǎng)絡(luò)與功率因數(shù)校正器輸出端相連(12)RSET(12)端信號(hào)與地接入不同的電阻，用來(lái)調(diào)節(jié)振蕩器的輸出和乘法器的最大輸出(13)SS軟啟動(dòng)端，與誤差放大器同相端相連(14)CT接對(duì)地電容器CT，作為振蕩器的定時(shí)電容(15)VCC正電源閾值為10V16V(16)GTDRVPWM信號(hào)的圖

10、騰輸出端，外接MOSFET管的柵極，該電壓被鉗位在15V3.2平均電流控制型PFC電路UC3854芯片就是為平均電流控制方式設(shè)計(jì)的，平均電流型控制方式的優(yōu)點(diǎn)是： · 恒頻控制；· 工作在電感電流連續(xù)狀態(tài)，開(kāi)關(guān)管電流有效值小、EMI濾波器體積??；· 能抑制開(kāi)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； · 需用乘法器和除法器； · 需檢測(cè)電感電流； · 需電流控制環(huán)路。 典型的平均電流型有源PFC電路如圖6所示。圖6典型的平均電流型有源PFC電路圖其工作原理的實(shí)質(zhì)是:借助功率開(kāi)關(guān)管有規(guī)律的通斷，通

11、過(guò)整流橋?qū)㈦娫炊搪?，使得電感L不斷地儲(chǔ)存能量，并且將全部?jī)?chǔ)能或者部分儲(chǔ)能釋放到直流側(cè)的電解電容C0，目標(biāo)是獲得與電源電壓同步的正弦輸入電流波形和穩(wěn)定的直流輸出電壓?？刂品绞讲扇‰p環(huán)控制，“外環(huán)”電壓環(huán)和“環(huán)”電流環(huán)。乘法器負(fù)責(zé)將電壓誤差放大器輸出、輸入電壓參考波形與電源電壓有效值二次方的倒數(shù)相乘，得到綜合的電流參考信號(hào)。電源電壓有效值二次方的倒數(shù)可以用來(lái)調(diào)節(jié)輸入電壓圍，以滿足寬圍電壓供電的要求。電壓閉環(huán)負(fù)責(zé)將給定電壓與實(shí)際電壓進(jìn)行誤差放大，目標(biāo)是維持輸出電壓穩(wěn)定。電流閉環(huán)負(fù)責(zé)將電流參考信號(hào)與實(shí)際檢測(cè)電流信號(hào)相比較后進(jìn)行PI調(diào)節(jié)，并產(chǎn)生最終控制信號(hào)，與三角載波比較后得到實(shí)際PWM信號(hào)，驅(qū)動(dòng)功率開(kāi)

12、關(guān)管，Rs為檢測(cè)電流用低阻值無(wú)感電阻，流過(guò)它的電流即升壓電感L的電流，作為電流閉環(huán)PI調(diào)節(jié)器的一個(gè)輸入。電感L的電流經(jīng)過(guò)輸入電容C0的吸收之后得到紋波電流比較低的正弦輸入電流，且與輸入電壓同步。平均電流型有源PFC電路工作頻率固定，輸入電流連續(xù)（CCM），波形圖如圖7所示。圖7 平均電流型有源PFC電路輸入電流4 基于UC3854的PFC電路的仿真4.1仿真模型的建立建立基于UC3854的平均電流控制型PFC的SIMULINK的仿真電路圖，如圖8所示。圖8其中解算選項(xiàng)設(shè)置為:最大步長(zhǎng)為1e-6s，相對(duì)精度為1e-3s，算法選擇ode23t其他選項(xiàng)選擇缺省值。主電路介紹:圖中VS1為標(biāo)準(zhǔn)單相正弦

13、電壓源，電壓有效值為220V。RLC1為輸入濾波電容，取值3.3F，為了便于仿真收斂，串聯(lián)0.010的電阻。RLC2為升壓電感，取值為1mH。RLC3為橋后直流側(cè)并聯(lián)電阻，取值為51。RLC4為功率級(jí)無(wú)感電阻，取值為0.015，負(fù)責(zé)檢測(cè)電感電流瞬時(shí)值。RLC5為電解電容，值為1410F。RLC6為電阻負(fù)載，取值為50。RLC7與RLC8為分壓電阻，構(gòu)成1: 80 的比例，提供電壓反饋信號(hào), RLC7取值為79，RLC8取值為1。D1D4構(gòu)成單相整流橋，MOSFET1為功率開(kāi)關(guān)，F(xiàn)RD1為反向快恢復(fù)功率二極管?？刂齐娐方榻B:三角波發(fā)生電路由時(shí)鐘Clock、采樣保持器ZOH、復(fù)合器MUX以與通用表

14、達(dá)式Fcn3構(gòu)成，采樣時(shí)間為0.00002s，得到開(kāi)關(guān)頻率為50kHz、幅值為2.5的鋸齒披。電壓濾波器由常數(shù)Constant、加法器Addl、傳遞函數(shù)Transfer Fcnl、飽和器Satuation2組成，完成對(duì)負(fù)載電壓的檢測(cè)與給定電壓的比較、濾波和放大。輸入交流電壓波形檢測(cè)部分由正弦波發(fā)生器Sine Wave、求絕對(duì)值器Abs、通用表達(dá)式Fcn4組成，其中Sine Wave的幅值為0.05V，與電源Vs波形和相位完全一致，F(xiàn)cn4負(fù)責(zé)補(bǔ)償過(guò)零失真。上述兩者結(jié)果經(jīng)過(guò)乘法器Product相乘后的乘積為輸入?yún)⒖茧娏餍盘?hào)，與電壓表VM2檢測(cè)得到的電感電流信號(hào)相比較作為電流PI調(diào)節(jié)器的輸入。電流

15、PI調(diào)節(jié)器由傳遞函數(shù)Transfer Fcn2、飽和器Satuation2、通用表達(dá)式Fcn5組成，F(xiàn)cn5負(fù)責(zé)改善輸入電流波形，得到的結(jié)果通過(guò)復(fù)合器MUX和通用表達(dá)式Fcn3與鋸齒披相比較得到PWM脈沖，驅(qū)動(dòng)Mosfet開(kāi)通與關(guān)斷。4.2仿真結(jié)果與分析 仿真結(jié)果如下:圖9 系統(tǒng)從啟動(dòng)到穩(wěn)定時(shí)輸入電流的波形縮略圖圖10 系統(tǒng)穩(wěn)定后閉環(huán)輸入電流波形細(xì)節(jié)圖圖11 閉環(huán)直流輸出電壓波形在仿真過(guò)程中看出,在開(kāi)環(huán)時(shí)輸入電流波形電流連續(xù)，類似與正弦波，但還存在較大畸變，功率因數(shù)較低。由圖9、圖10與圖11可以看出，經(jīng)過(guò)功率校正后輸入電流已幾乎接近正弦波，交流輸入電流能良好跟蹤交流輸入電壓；系統(tǒng)穩(wěn)定后的輸入

16、電流波形和理論波形（見(jiàn)圖7）基本相似，電流連續(xù)，類似與正弦波；輸出電壓穩(wěn)定；因此表明提高了功率因數(shù)；達(dá)到了功率因數(shù)校正的目的。4 結(jié)論本文分析了平均電流控制型功率因數(shù)校正電路的工作原理和實(shí)現(xiàn)方法，并采用MATLAB中的Power System工具箱建立了主電路的模型，對(duì)基于UC3854的功率因數(shù)校正電路進(jìn)行了仿真研究。通過(guò)MATLAB對(duì)基于UC3854的PFC電路進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真，加深了對(duì)知識(shí)的理解，從仿真結(jié)果可以看出，運(yùn)用功率因數(shù)校正，使輸入電流能很好地跟蹤輸入電壓波形，挺高了系統(tǒng)的功率因數(shù)，穩(wěn)定了系統(tǒng)輸出電壓，符合功率因數(shù)校正的要求。另外，在功率因數(shù)校正電路中，電路元件參數(shù)的選取，對(duì)提高功率

17、因數(shù)同樣很重要。參考文獻(xiàn)1 旭,裴云慶,王兆安.開(kāi)關(guān)電源技術(shù)M.:機(jī)械工業(yè),2005.2 建業(yè).電力電子電路的計(jì)算機(jī)仿真M.:人民郵電,2003.3 湘高.基于MATLAB的電力電子電路建模仿真方法的研究,計(jì)算機(jī)仿真J.20 03,8.4 朱方明，余建剛.有源功率因數(shù)校正技術(shù)原理與應(yīng)用J.現(xiàn)代電子技術(shù),2000,10.5 洪乃剛.電力電子和電力拖動(dòng)控制系統(tǒng)的MATLAB仿真M.:機(jī)械工業(yè),2006. 6功率因數(shù)校正（PFC）手冊(cè).onsemi./tech-support.2005.08.7 興華，雷淮剛，管洪飛，等.新型部分有源功率因數(shù)校正電路的分析與實(shí)現(xiàn)J.電氣運(yùn)用,2007，26(7)：54-57.8 波，電力電子學(xué)亟待解決的若干基礎(chǔ)問(wèn)探討.第二屆電工技術(shù)前沿論壇論文集,2005. 9 萬(wàn)山明,黃聲華.臨界不連續(xù)電流模式功率因數(shù)校正電路設(shè)計(jì)J.電力電子技術(shù)，2003.06.10 吳昕.淺談功率因數(shù)校正技術(shù)J.西南民族學(xué)院學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.11王會(huì)濤，錢希森，任開(kāi)春