-07-12湖北TI杯E题-高功率因数电源E教学课件

2019年TI杯湖北省电子设计竞赛

高功率因数电源(E)高学军三峡大学7/25/20231出题意图分析高功率因数电源方案分析控制方案TIPFC控制芯片2019年题目分析、参数计算电压设定测试时发现部分问题其它有关电力电子的竞赛题目7/25/202321.出题意图分析电力电子题目TI芯片控制CPU--MSP430运算放大器A/D转换电力电子器件驱动芯片：UCC27200、UCC27201……专用芯片：PFC芯片ucc280197/25/20233单相正弦波变频电源控制电路电力电子器件驱动芯片：UCC27200、UCC272017/25/20234I2UI=220VACU2=18VAC隔离变压器整流电路PFC控制电路IoUORLPFC芯片ucc28019高功率因数电源7/25/202352.高功率因数电源方案分析传统AC-DC电路[1]输入交流电流波形严重畸变存在大量的非正弦电流——谐波电流功率因数下降[1]开关电源的原理与设计（修订版），张占松蔡宣三编著7/25/20236功率因数校正7/25/20237功率因数校正器PowerFactorCorrection(PFC)的分类：无源PFC（也称被动式PFC）：采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，但无源PFC的功率因数不是很高，只能达到0.7～0.8；有源PFC（也称主动式PFC）：由电感电容及电子元器件组成，体积小，可以达到很高的功率因数，但成本要高出无源PFC一些。7/25/20238有源PFC电路，具有以下特点：输入电压可以从90V到270V；高于0.99的功率因数，低损耗；输出不随输入电压波动变化，因此可获得高度稳定的输出电压；有源PFC输出DC电压纹波很小，且呈100Hz/120Hz（工频2倍）的正弦波，因此采用有源PFC的电源不需要采用很大容量的滤波电容。7/25/20239Boost有源功率校正器原理图BoostBuck……7/25/202310PFC的控制策略分类：电感电流是否连续电流断续模式(DCM)电流连续模式(CCM)介于两者之间的临界DCM(BCM)有的电路还根据负载功率的大小，使得变换器在DCM和CCM之间转换，称为混连模式(MixedConduclionMode一一MCM)。7/25/202311直接电流控制检测整流器的输入电流作为反馈和被控量，具有系统动态响应快、限流容易、电流控制精度高等优点。直接电流控制有峰值电流控制、滞环电流控制、平均电流控制，预测电流控制、无差拍控制、单周控制、状态反馈控制、滑模变结构控制、模糊控制等方式。7/25/202312峰值电流控制开关管在恒定的时钟周期导通，当输入电流上升到基准电流时，开关管关断。采样电流来自开关电流或电感电流。峰值电流控制的优点是实现容易缺点较多：电流峰值和平均值之间存在误差，无法满足THD很小的要求；电流峰值对噪声敏感；占空比>0.5时系统产生次谐波振荡；需要在比较器输入端加斜坡补偿器。7/25/2023137/25/2023147/25/202315滞环电流控制开关导通时电感电流上升，上升到上限阈值时，开关管关断，电感电流下降；下降到下限阈值时，开关管导通，电感电流上升。滞环电流控制是一种简单的Bang-hang控制，它将电流控制与PWM调制合为一体。结构简单，实现容易，且具有很强的鲁棒性和快速动态响应能力。其缺点是开关频率不固定，滤波器设计困难。7/25/2023167/25/2023177/25/202318平均电流控制平均电流控制将电感电流信号与锯齿波信号相加。当两信号之和超过基准电流时，开关管关断，当其和小于基准电流时，开关管导通。取样电流来自实际输入电流而不是开关电流。由于电流环有较高的增益带宽、跟踪误差小、瞬态特性较好。THD(<5％)和EMI小、对噪声不敏感、开关频率固定、适用于大功率应用场合，是目前PFC中应用最多的一种控制方式。7/25/2023197/25/2023207/25/202321预测电流控制通过对输入、输出电压和输入电流的采样，根据实际电流和参考电流的误差，选择优化的电压矢量(脉冲宽度)作用于下一个周期，使实际电流在一个周期内跟踪卜参考电流，实现稳态无误差。其优点是开关频率固定，动态性能良好，电流谐波小，器件开关应力小，数字化实现简单。其缺点是要求较高的采样频率和开关频率，在低的采样频率下，会产生周期性的电流误差。7/25/202322单周控制(积分复位控制)单周控制是一种非线性控制，同时具有调制和控制的双重性。单周控制通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的。这种方法的基本思想是通过控制开关占空比，在每个周期内强迫开关变量的平均值与控制参考量相等或成一定比例，从而在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，前一周期的误差不会带到下一周期。单周控制能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，具有反应快、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、抗干扰、控制电路简单等优点。IR1150是一种新型的单周期(0ne-cyclecontrol，OCC)PFC控制芯片7/25/202323无差拍控制无差拍控制的基本思想是将输出参数等间隔地划分为若干个取样周期。根据电路在每一取样周期的起始值，预测在关于取样周期对称的方波脉冲作用下某电路变量在取样周期末尾时的值。适当控制方波脉冲的极性与宽度，就能使输出波形与要求的参数波形重合。不断调整每一取样周期内方波脉冲的极性与宽度，就能获得波形失真小的输出。其优点在于数学推导严密、跟踪无过冲、动态性能好，易于计算机执行等。缺点是计算量大，且对系统参数依赖性较大。但是，随着数字信号处理单片机(DSP)应用的不断普及，这是一种很有前途的控制方法。基于空间电压矢量PWM的电流无差拍控制方法，开关频率恒定，调节性能良好，代表了目前国际上PFC技术的先进水平。7/25/202324滑模变结构控制上世纪50年代在前苏联发展起来的滑模变结构控制，用于控制电力电子变换器有其天然的合理性。因为构成多种变换器的电子开关所产生的不连续性，使各类电力电子变换器正好被描述为变结构系统，而在变结构系统中滑模变结构控制的滑动模态具有不变性，即对系统的变化和外部干扰不敏感，具有很强的鲁棒性。这样，滑模变结构控制就能很容易地应用于整流器、逆变器及由开关变换器驱动等相关领域的应用研究，并获得良好的控制效果。应用滑模变结构控制方法．可以在输入电流的稳态特性和输出电压暂态特性之间进行协调，在使输入电流满足有关标准的前题下，尽可能地提高输出电压动态响应。7/25/202325TIPFC控制芯片[2][2].zhct014c电源管理选择指南(Rev.H)7/25/2023267/25/2023277/25/202328UCC28060NaturalInterleaving™TransitionTMUCC28070ContinuousConductionModeACMUCC28061NaturalInterleavingTransitionTMUCC280198-PinPFCControllerACMUC3852TransitionModePFCControllerTMUC3853/A8-PinPFCControllerACMUC3854PFCControllerACMUC3854A/BImprovedPFCControllerACMUC3855A/BHighPerformanceSoftSwitchingACMUCC38050/1TransitionModePFCControllerTMUCC3817A/8ABiCMOSPFCControllerACMUCC3819ATrackingBoostPFCControllerACMUCC38500/1/2/3PFC+PWMComboControllerACMUCC28510/1/2/3AdvancedPFC+PWMComboACMUCC28514/5/6/7AdvancedPFC+PWMComboACMUCC28521/8AdvancedPWM/PFCComboACM7/25/2023293.2019年题目分析参数计算I2UI=220VACU2=18VAC隔离变压器整流电路PFC控制电路IoUORL

PFC芯片ucc28019

电压等级设计制作、控制等

谐波分析、计算等高功率因数电源7/25/2023301、基本要求

（1）当电压U2为(15～19)V，负载电流IO为(0.5～2)A时，要求输出电压UO稳定在36V，其误差的绝对值小于5%。（2）变压器副边电流I2的波形应为正弦波，失真度小于5%。（3）电路功率因数大于0.95（在变压器副边测量）。（4）输出电路具有过流保护功能(输出电流IO达2.5A时自动保护)。7/25/2023312、发挥部分

（1）设计制作检测输出电压和输出电流的测量电路，其测量误差绝对值小于2%。（2）当U2电压为18V，负载电流为(0.5～2)A时，能对输出电压UO在(30～36)V范围内设定，其测量误差的绝对值小于2%。（3）设计制作功率因数测量电路，其测量误差的绝对值小于2%。（4）其他。7/25/202332UCC280197/25/202333UCC28019(SOIC-8,PDIP-8)1GND：芯片接地端2ICOMP：电流环路补偿3ISENSE：电感电流检测4VINS：交流输入电压检测7/25/202334UCC28019(SOIC-8,PDIP-8)8GATE：栅极驱动，可以驱动1或多个MOSFET，提供1.5～2.0A驱动电流，输出电压箝位于12.5V。7VCC：工作电源6VSENSE：输出电压检测5VCOMP：电压环路补偿7/25/2023354电压设定电位器—手动数字电位器D/A芯片PWM7/25/202336计算RFB1RFB2VsenseVout=390V1M13K30-36V100K20-16KRFB1100KRFB215KVsense10K7/25/202337继电器控制7/25/202338RFB1100KRFB215KVsense10K数字电位器X9312W-10K7/25/202339数字电位器DS1267-1010KRFB1100KRFB215KVsense10K+-R10K10KVout7/25/202340D/A转换芯片-12位(n)-空雷RFB1100KRFB215K10KVoutDATAVrefK28019Vsense7/25/202341D/ATLV5616D/AUCC28019Vsense7/25/202342D/ARFB1100KRFB215KVsense10KVoutD/A输出7/25/202343PWM和D/A原理相同区别在于调节占空比+滤波7/25/2023445.测试时发现部分问题没有按照题目要求留测试点没有隔离变压器(直接调自藕变压器-危险)电流线太细（2.5A电流）负载问题：电炉-表笔滑动(5A100欧滑线变阻器)示波器接地—接两个地线端(X)没有做必须的±12V、5V电源自动恢复问题注意审题：测试条件、报告要求7/25/202345失真度—总谐波畸变因数（THD-TotalHarmonicDistortion）功率因数（PF）THD5%10%15%0.998750.9950.9887/25/2023462019年全国：三相正弦波变频电源（G题）2019湖北省：功率因数监测与补偿实验系统2019年全国：开关稳压电源（E题）2019湖北省：高功率因数电源（E题）2019吉林省：单相正弦波变频电源（A）2019长春工业大学：可控脉冲电源（E）2019黑龙江：24V交流单相在线式不间断电源2019福建省：开关电源设计（B题）2019海南省：双路输出直流稳压电源（C题）6.其它有关电力电子的竞赛题目7/25/2023472019年全国：三相正弦波变频电源（G题）一、任务设计并制作一个三相正弦波变频电源，输出线电压有效值为36V，最大负载电流有效值为3A，负载为三相对称阻性负载(Y接法)。7/25/2023482019年全国：三相正弦波变频电源（G题）二、要求---基本要求（1）输出频率范围为20Hz～100Hz的三相对称交流电，各相电压有效值之差小于0.5V；（2）输出电压波形应尽量接近正弦波，用示波器观察无明显失真；（3）当输入电压为198V～242V，负载电流有效值为0.5～3A时，输出线电压有效值应保持在36V，误差的绝对值小于5%；（4）具有过流保护(输出电流有效值达3.6A时动作)、负载缺相保护及负载不对称保护(三相电流中任意两相电流之差大于0.5A时动作)功能，保护时自动切断输入交流电源。7/25/2023492、发挥部分（1）当输入电压为198V～242V，负载电流有效值为0.5～3A时，输出线电压有效值应保持在36V，误差的绝对值小于1%；（2）设计制作具有测量、显示该变频电源输出电压、电流、频率和功率的电路，测量误差的绝对值小于5%；（3）变频电源输出频率在50Hz以上时，输出相电压的失真度小于5%；（4）其他。2019年全国：三相正弦波变频电源（G题）7/25/2023502019年湖北省：功率因数监测与补偿实验系统一、任务：设计并制作一个功率因数监测与补偿实验系统：图中变压器的输入电压为220V10V、输出电压为36V，功率大于100W；模拟负载由电阻、电感构成，其中电感值为100mH、电阻值在20Ω~100Ω之间可调。监测单元功率因数补偿单元模拟负载实验系统~220V变压器7/25/202351二、要求1、基本要求(1)监测单元的具体要求如下：a.测量并显示变压器副边电压、电流，误差的绝对值小于2%；b.测量并显示电源频率，误差的绝对值小于0.5%；c.测量并显示无补偿时实验系统的功率因数、有功功率和无功功率，误差的绝对值小于5%。(2)功率因数补偿单元能根据负载变化自动进行功率因数补偿，使功率因数大于0.85。2019年湖北省：功率因数监测与补偿实验系统7/25/2023522、发挥部分(1)补偿后功率因数大于0.95；(2)测量有功功率、无功功率和功率因数的误差绝对值小于2%；(3)测量并显示补偿电容变化时电流的瞬态响应，要求采样频率大于3kHz，记录长度不小于0.3秒；(4)补偿电容在投入时无明显冲击；(5)其他。2019年湖北省：功率因数监测与补偿实验系统7/25/2023532019年全国：开关稳压电源（E题）一、任务设计并制作如图1所示的开关稳压电源。7/25/202354二、要求：在电阻负载条件下，使电源满足下述要求：1．基本要求(1)输出电压UO可调范围：30V～36V；(2)最大输出电流IOmax：2A；(3)U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤2%（IO=2A）；(4)IO从0变到2A时，负载调整率SI≤5%（U2=18V）；(5)输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；(6)DC-DC变换器的效率≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；(7)具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.5±0.2A；2019年全国：开关稳压电源（E题）7/25/2023552．发挥部分(1)进一步提高电压调整率，使SU≤0.2%（IO=2A）；(2)进一步提高负载调整率，使SI≤0.5%（U2=18V）；(3)进一步提高效率，使≥85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；(4)排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态；(5)能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。2019年全国：开关稳压电源（E题）7/25/2023562019年湖北省：高功率因数电源（E题）一、任务设计并制作一台具有功率因数校正环节(PFC)的整流电源，要求输出直流电压UO为36V，最大负载电流为2A，负载为电阻性负载。I2UI=220VACU2=18VAC隔离变压器整流电路PFC控制电路IoUORL7/25/202357二、要求1、基本要求（1）当电压U2为(15～19)V，负载电流IO为(0.5～2)A时，要求输出电压UO稳定在36V，其误差的绝对值小于5%。（2）变压器副边电流I2的波形应为正弦波，失真度小于5%。（3）电路功率因数大于0.95（在变压器副边测量）。（4）输出电路具有过流保护功能(输出电流IO达2.5A时自动保护)。2019年湖北省：高功率因数电源（E题）7/25/2023582、发挥部分（1）设计制作检测输出电压和输出电流的测量电路，其测量误差绝对值小于2%。（2）当U2电压为18V，负载电流为(0.5～2)A时，能对输出电压UO在(30～36)V范围内设定，其测量误差的绝对值小于2%。（3）设计制作功率因数测量电路，其测量误差的绝对值小于2%。2019年湖北省：高功率因数电源（E题）7/25/2023592019年吉林省：单相正弦波变频电源一、竞赛任务

设计并制作一个单相正弦波变频电源，输出电压有效值为15～36V可调，最大负载电流有效值为1A，负载为电阻负载。变频电源框图如下图所示。单相7/25/202360二、全国大学生电子设计竞赛要求

1.基本要求

（1）输出频率范围为20Hz～100Hz，且输出电压有效值为15V～36V可调的单相交流电；

（2）输出电压波形应尽量接近正弦波，用示波器观察无明显失真；

（3）当输入电压为198V～242V，负载电流有效值为0.5～1A时，输出电压有效值应保持在15V，误差的绝对值小于5%；

（4）具有过流保护(输出电流有效值达1.5A时动作)，保护时自动切断输入交流电源。

2019年吉林省：单相正弦波变频电源7/25/2023612.发挥部分

（1）当输入电压为198V～242V，负载电流有效值为0.5～1A时，输出电压有效值应保持在15V，误差的绝对值小于2%；

（2）设计制作具有测量、显示该变频电源输出电压、电流、频率和功率的电路，测量误差的绝对值小于5%。三、全国大学生电子设计竞赛说明

1.不能使用产生SPWM波形的专用芯片；

2.必要时，可以在隔离变压器前使用自耦变压器调整输入电压；可用滑动变阻器或电阻箱模拟负载；

3.输出功率可通过电流、电压的测量值计算2019年吉林省：单相正弦波变频电源7/25/2023622019长春工业大学：可控脉冲电源（E）一、任务：设计并制作一台可控脉冲电源二、要求1、基本要求（1）缓启动0-3分钟可设定，斜坡启动。（2）输入：220VAC±10%，50Hz，输出矩形脉冲波形，输出：DC0-60V，0-2A7/25/202363波形如图所示其中：V1在0-60V、V2在0-50V内可任意设定；高电平维持时间0.1-9S、低电平维持时间0.1-9S可任意设定。2019长春工业大学：可控脉冲电源（E）0-20min0.1-9S0.1-9SV2V17/25/202364（3）电压精度：≤±10%，纹波电压：△VP-P≤1%（4）具有电压、电流显示功能（5）具有漏电、过载保护功能。（6）可在0-20min内任意设定声光报警信号2、发挥部分（1）可以动态显示时间-电压、时间-电流曲线。（2）可在恒压、恒流两种输出方式间切换（3）单、双极性据需要可任意切换，正、负向高、低脉冲个数可以任意单独组合调定2019长春工业大学：可控脉冲电源（E）7/25/2023652019黑龙江：24V交流单相不间断电源一、任务设计并制作输出电压为24VAC在线式不间断电源，结构框图如图1所示。7/25/202366二、要求：2.1基本要求（1）在交流供电U1=36VAC和直流供电U3=36VDC两种情况下，保证输出电压U2=24VAC，且保证其频率为50±1Hz，额定输出功率80W；（2）切断交流电源后，在输出满载情况下工作时间不少于2分钟；（3）交流供电时，电源达到以下要求： 1.电压调整率：满载条件下，U1从29VAC增加至43VAC，U2变化不超过5%； 2.负载调整率：U1=36VAC、U2=24VAC，从空载到满载，U2变化不超过5%；（4）直流供电时，满载条件下，效率不低于65%（）；（5）具有输出短路保护功能。

2019黑龙江：24V交流单相不间断电源7/25/2023672.2发挥部分（1）交流供电时，将电压调整率和电压调整率提高至2%，条件同基本部分；（2）直流供电时，在满载条件下，将效率提高至80%；（3）满载条件下，输出正弦波失真度不大于5%；（4）具有给蓄电池充电功能，充电电流不小于0.1A，充电电路对蓄电池不能过充；（5）具有欠压保护功能：当蓄电池的放电电压≤29V时整机自动保护停止工作；（6）其他。2019黑龙江：24V交流单相不间断电源7/25/2023682019年福建省：开关电源设计（B题）一、设计任务设计并制作一个开关电源，其结构框图如图1所示。DC/DC控制、显示电路变压、整流滤波输入输出电压、电流测试点设置7/25/202369二、设计要求1、基本要求(1)输入电压：输入变压器二次侧标称电压15Vac，输入电压范围：180~240Vac。(2)输出电压：25.0Vdc。(3)最大输出电流：1.00A。(4)电压调整率：≤2%（在0.10A条件下测试）。(5)负载调整率：≤2%。(6)纹波电压：≤250mVp-p（在输入电压220Vac、满载条件下，用示波器测试）。(7)DC/DC变换器（含控制显示电路）效率≥60%（在输入电压220Vac、满载条件下测试）。(8)可显示输出电压、电流；电压示数分辨率0.1V，精度1%；电流示数分辨率0.01A，精度1%。(9)有键控开关功能2019年福建省：开关电源设计（B题）7/25/2023702、发挥部分(1)