电网输入实现高功率因数

1、现代电力电子技术 学院：自动化信息工程学院 专业：电力电子与电力传动 学号： 姓名： 日期： 作业：输入：单相，工频，220V，电网波动5%；输出：直流40V，1KW，负载变化范围在100%20%，超载20%可运行 10s，输出电压稳定度3%，纹波系数不大于2%，电网输入实 现高功率因数（PF0.95）；要求：设计主电路和控制电路以及控制策略；选用适当的仿真软件进 行仿真；提交：设计报告（设计方案确定、参数、电路及仿真）。电网输入实现高功率因数第1章 绪论1.1设计背景 随着电力电子装置越来越多地使用，谐波大量产生，而传统的交直流(AC/DC)变换电路由二极管或晶闸管构成， 若电网中注入大量谐

2、波和无功，则会构成电网污染传统的变换电路因谐波超标，已逐步被取代变换器的无源滤波技术，多采用LC等无源器件，体积大、功耗高采用有源功率因数校正(APFC)，能使AC/DC变换电路的网络功率因数接近1，不会产生谐波电流鉴于此，拟以Boost电路为主电路，采用 APFC 技术设计单相AC/DC变换电路，以解决传统交直流变换电路普遍存在的功率因数较低、易产生电网污染等问题。1.2功率因数的相关定义 功率因数(PF)是用来衡量输入电能质量的参数,其定义为:有功功率与视在功率的比值。即: （1-1）式中,为有功功率;为视在功率;代表基波因数(畸变因数)。则称为位移因数(基波功率因数)。所以,由式(1-1

3、)可得,功率因数的大小与畸变因数和位移因数二者有关,二者的乘积决定其性能。电压总谐波畸变率可由下式决定,即:1.3功率因数校正技术的发展及分类 功率因数校正技术主要可区分为两大类,即无源功率因数校正(PPFC)技术和有源功率因数校正(APFC),分类依据在于是否采用有源器件。1.3.1无源功率因数校正(PPFG)发展最初实现功率因数校正的手段是利用电感和电容构造无源网络,凭借电感电容的续流、稳压作用,从而扩大了整流桥的导通角,这项早期的研究,称为无源PFC技术。典型的无源功率因数校正电路如下图1-1所示。但无源PFC的工作性能不稳定,极易受各类因素的影响,例如电网频率、负载及输入电压跳变等等。

4、此外电路在工频下工作时,需要考虑滤波器体积和重量大等实际问题,难以得到高的功率因数,造成输入谐波电流的抑制效果不是很理想,因而无源PFC较少使用在100W以上的开关电源中。图1-1 典型无源功率因数校正图1.3.2有源功率因数校正(APFC)发展 20世纪70年代以后,开关变换技术突飞猛进,为功率因数校正技术打下了快速发展的基础。进入80年代以后,现代有源功率因数的发展进入了初级阶段。随着时间的推移,20世纪80年代中期,微电子技术的幅起,为PFC技术提供了发展的空间。之后基于专用IC的有源PFC技术幵始面向市场。 当前比较常见的APFC技术是由DC/DC变换得到的一种电流整形方法。其电路原理

5、框图如图1-2。图1-2典型有源功率因数校正电路图 在当代电力电子领域,功率因数校正技术有着不可或缺的地位。近年来各国专家学者对PFC的研究热潮不减,目前国内外对PFC技术的研究主要着眼于两大板块,即如何优化电路工作性能和简化整体电路结构。对于新的PFC电路拓扑的研究(如本文采用的无桥变换器),新型控制方式的探索及对PFC电路的EMI分析和抑制措施研究,都是专家学者探讨的热点话题。1.4本设计的主要内容 本设计研究了一种在CCM模式下的Boost PFC拓扑,简析了电路工作模态,并指出了电路中存在的不足。进而在该电路的基础上加以改进,提出了Boost升压变换器。工作内容具体如下:.阐述背景,研

6、究目的和意义、PFC技术的发展概况以及目前国内外的研究热点,继而详细整理功率因数校正技术的控制策略。.对比传统Boost变换器效率低的缺点,引入目前效率较高的Boost变换器,进而引出了对改进型Boost变换器的研究;.详细分析了基本型Boost PFC拓扑的工作模态和电路特性,对比分析了改进型PFC拓扑,并选用了基于平均电流控制IC进行了电路设计,给出了各元件参数,并利用PSIM进行系统仿真,验证数据的可靠性。第二章 功率因数校正主电路拓扑及控制策略分析2.1 PFC主电路拓扑 有源功率因数校正电路是由主电路及控制电路两部分构成。对于主电路拓扑结构的选取,只要能够满足电流跟随电压的要求,理论

7、上任何一种变换器如Boost、Buck等基本电路拓扑都可以作为PFC的主电常见的用于PFC的电路结构有升压型(Boost)、降压型(Buck)、降升压型(Buck-Boost)等。其中Buck与Boost是最基本的,其它结构都是这两种结构的演变。(1)升压式(Boost)电路:图2-l所示的升压(Boost)电路,该电路可实现输出电压的升压功能。目前APFC技术中应用最为广泛的。图2-1 升压(Boost)电路(2)降压式(Buck)电路:Buck电路用于实现降压功能,其拓扑如下图2-2所示。Buck电路特征是输出电压低于输入电压。由于整个电路噪声较大,滤波也困难,所以目前己很少用于功率因数校

8、正电路。图2-2 降压式(Buck)电路2.2常见的APFC电路的控制策略分析 有源功率因数校正电路总体可分为主电路和控制电路两大部分。原则上任一种DC/DC变换器拓扑都可用作PFC的主电路,但由于Boost电路结构简单、效率高、稳定性好,优点比较突出,因而成为目前应用最广泛的PFC主电路。依据电感电流连续与否,有源PFC电路又可以分为不连续导电模式(DCM)和连续导电模式(CCM),下文将展开介绍。2.2.1 DCM控制模式 DCM控制模式是PFC电路中简单而又实用的一种控制方法,DCM控制模式又被称为电压跟踪法。最容易实现的DCM控制是采取恒频固定占空比控制。2.2.2 CCM控制模式CC

9、M模式在中大规模电路中的应用较为广泛,可划分为直接电流控制和间接电流控制两类,划分标准是是否取用电感电流作为电路的控制及反馈量。平均电流控制方法平均电流控制又称三角载波控制,是目前PFC电路中应用最广的,也是最理想的一种控制方法。图2-3为平均电流控制原理图及该模式下输入电流波形图。平均电流控制电路中增加了一级PI电流控制环。工作过程如下:整流后的电压信号经过检测模块后送入乘法器,电压误差放大器的输出信号也送入乘法器,二者相乘,得到电流基准信号电感电流经采样后与基准信号进行比较放大,再送入比较器与高频三角波发生器输出的锯齿波信号进行比较,最后输出的PWM信号送入开关管门级,用来驱动功率开关管开

10、通与关断。由图2-3右侧波形图可以看出,平均电流控制将电感电流信号与高频三角波信号叠加,当叠加值高于基准电流信号时,控制开关管关断;反之,则开关管导通。常见的平均电流控制的IC有ML4821、UC3854等,本课题使用的就是UC3854来实现功率因数校正的目的。图2-3 平均控制原理及输入电流波形图优点:开关频率固定,电流环增益带宽较高,电感电流峰值/平均值误 差小,易实现高功率因数,适用于大功率电路。缺点:控制电路较为复杂,需要实用模拟乘法器,并且需要对电感电流 进行采样,成本较高。2.3传统PFC电路的分析研究 Boost变换器因其拓扑结构简单、变换效率高、控制策略易实现等优点,被广泛用作

11、PFC电路。如图2-4所示,该变换器包括电感电流和电容电压两个状态变量,是一个二阶系统。其工作原理如下:图2-4 升压（Boost）电路 在一个周期内,假设整个电路装置工作在连续导通模式。在输入电压正半周阶段,幵关管S受到触发而导通,输入电流经过两个二极管D1和D4、电感L、功率管S形成一个环路,电感的电流线性上升,此为电感电流的充电阶段,而负载的能量则由输出电容来提供;当幵关管S被受控关断时,输入电压和电感电流同时向负载提供能量,电感电流下降,同时输出电容被充电以维持负载能量传递的连续性。当输入电压为负半周阶段,由于电路结构整流桥二极管的对称性,D1对应D2,D3对应D4,因此电压波形负半周

12、的工作原理与正半周阶段类似。第三章 主要器件的选择与参数计算本章对升压PFC电路进行了设计,对电路中各元器件的参数及选型进行了详细的说明。电路具体分为两大模块:主电路部分及控制电路部分。下面将分别对各模块的设计进行具体分析。系统首先进行变压器的降压，在整流滤波之后再进行Boost升压,从而达到设计要求。设计主要参数及要求如下:(1)交流输入电压:220V，电网波动5%；(2)输出直流电压:40V，负载变化范围在100%20%;(3)输出电压稳定度3%，纹波系数不大于2%，电网输入实现高功率因数（PF0.95）;(4)额定输出功率:1KW。3.1主电路模块设计3.1.1整流桥的选择 本文设计的变

13、压器输出交流电压为22V，整流桥的电流最大可达60A，为了得到较好的直流量，选择整流桥的耐压为50V以上，正向电流100A3.1.2电感电流采样电路 主电路的选择会直接影响到控制电路简单与否以及EMI干扰等众多问题。所以本文的主电路结构釆用图3-1所示的电路。 在传统Boost PFC电路中,检测电感电流的釆样电阻通常位于整流桥输出共地端,但在省略了整流桥的Boost PFC电路拓扑中,在一条完整回路上,电流信号无法保持极性一致,因而釆样困难。为了解决该问题,提出一种电流互感器检测方法,可以还原电感电流信号。如图3-1所示。图3-1 系统电流采样3.1.3升压电感的设计 功率因数校正电路的电路

14、性能与电感值有关,输入电流纹波的大小由升压电感的取值决定。为了得到较小的纹波电流,必须使升压电感足够大。如果设计升压电感电流纹波系数等于20%,满载条件下,交流输入电压峰值达到最低时,输入峰值电流达到最大。升压电感上最大的峰值电流为:，本文设计的变换电路输入电流峰值为44.4 A假如容许20% 的电流脉动，则有I=0.2×I2 =1.28A. 在升压型转换器中，最大纹波电流发生在占空比为50% 时，即升压比M =V0/Vin= 2 时电感值是由半波整流最低输出电压时的电流峰值、占空比和开关频率决定的， 其关系式如下:I2 时的占空比 D =(VoVin)/Vo=(40-22)/40=

15、0.45,Vin=22V输入电压为最低，L=（Vin*D）/(fs*I)=22*0.45/(20000*1.28)=0.39mH.3.1.4输出电容的选择 （1）输出电容的大小由输出电压的波动程度决定在MOSFET管导通时，负载的输出电流靠输出电容放电维持设 MOSFET 管导通时的电压变化为U，假设负载流过的电流在此期间恒定， 则电容电压和负载电压下降量U =，式中为占空比，T 为周期/s根据上式即可确定输出电容的大小，U 与I 和均有关考虑到输出电容是由容许的输出最大纹波电压来决定的，电容的容量应满足C 式中，Io为输出电流的最大值（2）输出滤波大电容C,用来滤除工频整流之后的lOOHz电

16、网纹波,降低输出电压纹波大小。设计规定输出电压纹波允许范围为 U=±3V,输出电容C计算得:C>Pn/(2*3.14*2f*UU)=6mF参考实际过程中电容裕量,这里选取8mF的电解电容.3.1.5输出电流电阻根据设计要求，输出功率为1000W，40V的电压，由，有，电流。3.1.6 升降压二极管的选择 采用肖特基二极管代替二极管，能降低开关工作频率， 减小开关损耗，提高电源的效率考虑正向导通的压降及反向的恢复时间，本设计选用MU1660C 肖特基二极管3.2 实验系统仿真 计算机仿真技术广泛应用于各个领域,掌握应用软件对电路进行建模、仿真技术,对优化电路设计有重要的指导意义。

17、本课题使用的仿真软件平台是PSIM。3.2.1 仿真设计 图3-2是运用Psim软件对平均电流控制的Boost PFC变换电路进行的仿真实验。在电路仿真模型中，主电路参数和控制电路参数选取如下： 网侧输入电压220V; 输出电容C：6mF; 升压电感L:0.39mH; 工频频率f:50HZ; 开关频率100kHz; 额定输出功率P:1kw; 输出电压U:40V。图3-2为搭建的具体电路仿真模型。图3-2 系统仿真电路图3.2.2仿真波形图3-3为电路模型仿真结果，图显示了PFC电路网侧电压波形。从图中可以看到,电压、电流同相位且是正弦波。图3-4为输出电压波形,由图可以看出,输出电压为22V。

18、图3-5为变压器的输入输出波形图。图3-3 网侧电压波形图3-4 变压器输出电压波形图3-5 变压器输入输出波形图3-6 系统升压负载端输出电流图3-7 系统输出电压波形图3-8 系统输出端电压电流波形3.3 仿真分析及总结本章对升压功率因数变换器硬件电路的具体参数进行了设计,并选取了符合电路要求的主要元器件,进而应用软件对电路进行仿真实验,进一步验证了设计的正确性。并进行了相关的数据测试,实验结果得到验证。 本文在对功率因数校正技术综合分析的基础上,主要研究了在CCM模式下的升压PFC电路。相比于传统PFC电路,由于升压PFC主电路电流回路中所含通态元件比较少,因而导通损耗低,电路效率较高。并且设计了基于平均电流控制的改进型无桥升压PFC变换器,实验输出电压稳定保持在40V,电路效率较高,PF达到97.5%，满足设计要求，实验结果证明无桥结构高功率因数的效果。参考文献：1林渭勋.现代电力电子技术M.机械工业出版社,20022一种有源功率校正的单相交直流变换电路设计(吴必瑞,谢善娟,郑乃清) (宁德师范学