基于PFC的单相ACDC变换电路研究

基于PFC的单相ACDC变换电路研究摘要在电力系统中，供电单位为一定频率的单、三相AC供电，但不同的供电设备类型、功能各异，对电能的电压、频率要求也不同。这就要求我们通过对电力系统进行转换，使其达到最优运行状态，从而达到最大的技术经济效益。改变后的电能，在全国发电总量中所占的比例，已经成为一个国家技术水平的重要指标。因此，研制一种实用、高效的电力转换设备，无论是在经济上还是在节能上都有着十分重要的作用。【关键词】有源功率因数校正AC-DC变换电路设计DesignofSinglePhaseAC-DCConverterCircuitAbstractInthepowersystem,thepowersupplyunitisasingleorthree-phaseACpowersupplyunitwithacertainfrequency,butdifferenttypesofpowersupplyequipmentandfunctionsdiffer,andthevoltageandfrequencyrequirementsforelectricalenergyarealsodifferent.Thisrequiresustoachievethemaximumtechnicalandeconomicbenefitsbytransformingthepowersystemtoachieveoptimaloperatingconditions.Theproportionofchangedelectricenergyinthetotalelectricitygenerationinthecountryhasbecomeanimportantindicatorofacountry'stechnologicallevel.Therefore,developingapracticalandefficientpowerconversiondeviceplaysaveryimportantroleinbotheconomyandenergyconservation.【Keywords】ActivepowerfactorcorrectionAC-DCconvertercircuitdesign1绪论1.1研究背景与意义固体AC-DC转换器电源在调速驱动、开关电源、UPS电源、一些接口电路(例如与太阳能电池等非常规电源接口)、电池储能系统、一些工艺技术、电器工具的电池充电器、通信系统或测量装置的电源电源等[1]。交流-DC转换器又称为整流器，它是由二极管和三极管组成，通过单向或双向的电力流来控制或不能控制的DC电源[2]。电力供应一端连接于交流电，存在非线性特性负荷,会向电网中注人了大量的谐波,导致了整个电力系统假设非线性负载产生电流为电源电流，而中电压和电流波形的严重失真[3]、交流端功率因数低、负载端直流电压波动低、效率低、滤波器体积大等问题。由于应用不断增长，新的整流器随看新器件的使用发展起来。这样的设备一般叫做一个转换装置。为改善电力线的功率因数，对电力设备进行安全保护，各国及有关组织均制订了规范，例如EEE519,IEC555-2,IEC1000-3-2,EN60555-2等，这些标准对电力供应系统所能产生的最大谐波电流作出了规定。我国于1994年颁布并实施了《电能质量公用电网谐波》，为达到“标准”，采用PFC技术取代了常规二极管整流器[4]。采用PFC整流器，能减少谐波，提高功率因数，如果要实现高供电质量的交流-DC转换器，就需要在输入c端增加PFC电路，以确保输入电流为正弦，谐波很小，在输出dc端加上DC-DC调节器，就能获得稳定、准确的直流电压。因此，在进行控制时，要根据实际情况和负荷的不同，采用适当的控制方式，同时兼顾成本和质量。尽管全功率因数是最理想的指标，但是不能满足调整器的要求，比如IEEE519和IEC1000-3-2，它们都允许有一定数量的三相谐波[5]。因此，在低功耗情况下，单相、单相单相控制的简单控制方式，已有很多优点。电力是当今世界的主要能源，在各行各业中，几乎所有的科技设备都是用电的，必须要有特定的电力供应。在电力系统中，供电单位为一定频率的单、三相AC供电，但不同的供电设备类型、功能各异，对电能的电压、频率要求也不同。这就要求我们通过对电力系统进行转换，使其达到最优运行状态，从而达到最大的技术经济效益。改变后的电能，在全国发电总量中所占的比例，已经成为一个国家技术水平的重要指标。因此，研制一种实用、高效的电力转换设备，无论是在经济上还是在节能上都有着十分重要的作用。1.2国内外研究现状直流变换器按其结构可分为两个阶段和一个单一阶段。其中，二级结构的前一级是PFC环节，后一级是DC转换环节。近年来，由于ACDC变流器在功率密度、效率等方面的需求越来越高，单级型ACDC变流器也逐渐成为人们关注的焦点。该器件具有PFC链和DC电压转换功能，具有器件数量少，能量转换级数少等特点[6]。YijieWang在《基于BCM升压电路和LLC变换器的单级路灯LED驱动器》中提出了基于交错并联Boost和LLC电路的单级交直变换系统，其结构如图1-1所示。图1-1Boost和LLC电路的单级AC-DC电路图而《基于交错降压升压电路和LLC谐振变换器的单级LED驱动器》中提出了基于交错并联Buck-Boost电路和LLC电路的单级交直变换系统[7]，其结构如图1-2所示。由于采用共用开关管，二者的系统元件数量都有所下降，效率都在91%以上。CACDC但是，图1-1中的Boost-LLC单级变换器，其前端工作在BCM方式，THD比较大，不适合用于THD和PF高的场合。在图1-2中，Buck-Boost-LLC单级变流器中，尽管输入电流会随着输入电压的改变而自动改变，但是由于器件数量的增加，使得整个系统的容量增加，效率下降。同时，两种单级结构都需要对前级PFC和后级LLC电路进行组合，从而使开关管内的电流应力显著增大。另外，在交流输入电压波动时，单级电路的母线电压会出现较大的波动，从而影响到整个系统的参数设计和效率。因此，尽管单级型ACDC变换器的数量可以减少，但是它的设计却很困难，而且它的元件所要承受的电压和电流应力也很高。所以，寻找结构简单、器件数量少的二阶ACDC转换器件具有十分重要的意义。BoostPFC是一种低成本、低噪声、高可靠性的新型功率因数转换器，它是当前功率器件中应用最广泛的一种拓扑。二极管的导通损耗高，导致了系统的效率降低。半桥式双BoostPFC的结构，在电路中减少一组二极管，从而改善了系统的性能[8]。此外，通过二极管D1和D2直接连接到栅边和直流边，从而降低了共模噪声。但是，在这个结构中，两个Boost变换器在正、负半圆之间交替运行，其开关和电感器的利用率比常规BoostPFC要低得多。1.3研究内容与方法1.研究内容本篇文章一共分为六个章节。以下为本文的主要内容。第一章绪论。主要讲述本篇文章的研究背景与意义，以及国内外研究现状。第二章是相关理论。主要讲述本篇文章所使用的一些技术理论知识。第三章是单相AC-DC变换电路设计方案及原理。主要对本次单相AC-DC变换电路进行总体设计并阐述原理。第四章是系统软件设计。这一章对系统程序进行设计，使其可以控制电路进行工作。第五章是电路测试。这一章对本次设计电路进行测试，看其性能与功能是否达到预期。第六章是总结。这一章是对本篇文章进行总结与展望。2.研究方法文献综述法:在网上查询AC-DC变换电路相关知识，为本篇论文的完成打下坚定的基础，使得本次论文写作有所参考以及理论依据。2单相AC-DC变换理论2.1拓扑结构交流-直流转换电路主要包括两个主要的功率和控制两个方面。按其基本拓扑结构，可将系统的功率级划分为单向、双向电源的升压、降压、降压、多级转换等八种类型。本文侧重于单方电源流的应用，本文着重阐述了四种单向变流器的实现方式。首先是单向升压变换器，它主要包括二极管桥整流器和一个带有滤波蓄能器的升压转换器，见图2-1。采用高频PWM技术和电流控制技术，对电流环和外部电压环进行控制，使其具有高质量的AC/DC输入。它具有体积小、重量轻、结构紧凑、造价低廉、在很大的交流输入电压和频率范围内都能提供快速、稳定的DC输出电压。其不足之处在于，其输出电压仅比输入电压高，且元件受力大。它的用途包括：电子整流器，电力电源，变速交流电机(压缩机，冰箱，泵，风扇等)[9]。单向降压变换器基本拓扑结构为二极管桥式整流器和以滤波储能元件组成的降压型转换器组成，如图1.3所示。降压变换器可以得到需要的各种直流电压，且拥有很好的电源品质如交流输入侧很高的功率因数、低THD、稳定的输出直流电压、较快的响应速度和较小的元件应力[4]。但是在输入电压很小时容易出现交越畸变，从而使THD值增大。其主要应用在：小功率的直流马达调速系统、电池充电、隔离的可调直流电源等。单向降-升压变换器这种转换器通常由二极管整流器和降-升压DCDC转换器组成，如图2-3所示。现有Buck-Boost转换器电路结构即有非隔离式的又有隔离式的[10]。高频变压器隔离可给电压调整提供更好的控制，对于负载设备更安全，结构紧凑，降低了重量、大小和损耗，以及提高了对负载变化的适应性。用谐振开关的软开关可用来降低开关应力及器件损耗，若工作于高频，可进一步降低磁性元件和储能元件的大小。其主要应用在：开关型功率电源、铁路信号、电池充电器、不间断功率电源、小功率的无刷交流马达驱动等。单向多级变换器基本结构由二极管整流器、PWM控制器和有源双向开关来实现，如图1.5所示。这些转换器不仅在c输入端提供高的功率因数及低的THD，而且在输出端提供可控的无纹波的c电压。这种结构可降低元件应力亦可在较低开关频率下有同样的性能，所以可实现低开关损耗和高效率。其主要应用在：变速驱动，如带一个转向装置的无刷马达，或用于空调、变速风扇、泵及压缩机等。2.2高压器件元件的选择对于达到一个高性能的AC-DC变换器是很重要的。在高品质电源的AC-DC变换器中最主要的和高成本的元件就是功率器件[11]。在小功率的转换器中，通常用MOSFET，可达到合理的高效率甚至高的开关频率来降低磁性元件的尺寸；中等功率范围中，GBT是很常用的器件，因其有很好的栅特性及工作于宽的开关频率范围的能力，可达到磁性元件、滤波元件大小及开关损耗之间的优化平衡。在高功率范围，则通常用GTO，因其有自关断及反向电压阻断能力的优势。新器件的发明为功率电子的发展提供新的契机。陈星弼教授的复合缓冲耐压结构的发明，突破了原硅功率管耐压和导通电阻之间的限制，并由西门子公司在1998IEDM会上宣布实现，业界称为Super-JunctionDevice或CoolMOS。CoolMOS及SiC二极管在电源类产品中的使用，大大提高了电源的效率。CoolMOS用电荷补偿的原理对器件的关键参数如导通电组、击穿电压、栅电荷等进行优化，相比传统的器件有很好的电特性及动态特性。对于600V的器件，与传统的MOSFET相比，CoolMOS的芯片面积缩小4倍，对于800V的器件甚至可以大约缩小6倍。主要的限制和挑战来自于制造工艺中要精确控制电荷补偿。CoolMOS500V器件专门为PFC、谐振桥式技术、软开关及双向转换器等结构设计，并由于其优越的性能而越来越受到关注。为使CoolMOS的特性得到最好的发挥，可用具有超快的开关特性SiC二极管来与其匹配，在阻断电压300V到1000V以及开关频率高于50KHz的应用领域中备受青睐。CoolMOS和SiC肖特基二极管的组合使用可以提高功率电源的效率，因工作于高频，可使无源元件更小，减小总体的尺寸，从而降低成本。Infineon技术实验室对此方面做了大量的研究和试验，并开发出应用于开关电源中的控制芯片CoolSET，集成了控制电路与CoolMOS器件[12]。综上所述，为进一步提高性能，ACDC变换器不断地有新发展。一些新的趋势是采用软开关技术来降低AC-DC变换器中的开关损耗，工作于很高的开关频率来提高动态响应和降低储能元件的大小(输入输出滤波器、高频变压器)：嵌入式和多单元的方法用于包括PFC功能的AC-DC变换器中，来提高性能和消除EMI无源滤波：单级转换器的新发展是不断提高效率，降低尺寸和提高可靠性[13]。2.3有源功率因数校正技术有源功率因数校正技术主要实现步骤为采用高频斩波方案，控制输入电流相位以正弦规律跟随输入电压相位，使输入PF值接近于1。结合采用高频开关器件与控制方案，使得有源功率因数校正技术得到了较好的发展，降低了变换器的整体体积，并降低系统对外电磁干扰[14]。总体上有源功率因数校正具有电流校正度高，高频化明显，电磁干扰低，设备体积小的优点。同时具有硬件电路设计复杂，控制思想复杂，变换器整体造价高的缺点。伴随半导体技术的不断发展，各种集成控制芯片的不断面世，控制技术更加成熟，变换器总体造价也在降低，使得该变换技术在中小功率中得到了广泛的应用，现在大量的参考文献及研究成果大多是基于有源功率因数校正技术。3单相AC-DC变换电路设计3.1系统总框架本次设计的系统总框架图如下图3-1所示，其中AC-DC电路将通过其电路的交流电转换成直流电，并且对其进行功率因数校正。MSP430即可接收被功率因素校正过的输出电流，并且通过使用移相电路对其进行精确的控制与调节，使其更为精准。而其中的电压电流测量电路则是对本次设计中的电路实行一个监控的作用，若其电压超过极限，则会将其通向DC-DC降压电路，使其电压减少到安全线上，保障其电路安全。而电流若是超过极限，则会通过MSP430将电路中断，从而保护电路。而本次设计可使用一个4*4的键盘来修改功率因素的值，从而实现手动控制，而LCD则是将其中的各个数值显示出来。本次电路设计决定设计一款输入的交流电压在20伏至30伏之间，输出电压能够稳定在36伏，电流小于等于2.5A，并且使得功率因素能够在0.8到1之间调控。图3-1系统框架图3.2功率因数校正本次有源功率因数校正电路如下图3-2所示。由于使用分立元件组成的有源功率因数校正电路操作较为繁琐，其中的DSP控制的算法也比较复杂，从而使得功率因数的校正也较为困难。因此本次设计通过控制连续电流从而实现功率因数的校正。本次设计使用UCC28019A芯片，该芯片的功能十分强大，不仅仅能搭建出更加稳定可靠的电路，并且在外围电路搭建上也较为简易。本次设计通过使用Vsense引脚来接收输出电压，让其在一定程度上保持稳定。并且可以将芯片中3脚与电流信号中断，再与移相电路连接，从而完成功率因素的改变。3.3功率因素调整由上述可知芯片可完成功率因素的校正，而本次设计的要求需要功率因数保持在0.8至1之间，并且可以实现调整，若是功率因素在0.8，则意味着电压与电流的相位差为36.86度。这表示若是要保持功率因数在0.8至1之间，那么移相电路就需要保持0至36.68度的移相。本次设计采用的移相电路图如下图3-3所示。图3-3RC相移电路路传递函数推导如下：中的可调电阻用数字电位器代替，电阻值可以通过程序控制，即程序控制相位移动，电路图如图3.4功率因素测量平常测量功率因数的方法是通过电流电压波形相位差的计算，而该计算方法会因为电压电流导致失真，从而导致误差较大，为本次设计实验带来很大的不便。因此本次功率因素通过有功功率与视在功率的比值来计算，有功功率是通过将电压电流的波形使用乘法器计算得到，视在功率即是输入的电压与电流的有效值相乘所得。而输入电压的波形可以通过使用线圈在变压器缠绕几圈接出获得，电流波形则是通过霍尔电流传感器测量获得。本次设计使用AD63781芯片来进行有效值检测，并且使用ADS1248来进行AD采样，保障了其准确性与稳定性，从而使得测量更加精确。其电压有效值测量电路、电流有效值测量电路以及有功功率功率测量电路分别如下图3-5、3-6、3-7所示。路3.5DC-DC降压在输入交流电压超过25.5V时，采用UCC28019A控制的Boost升压电路将会在36V以上。如果用线性稳压晶片，会对供电效率造成一定的影响，因此，Buck电压电路的工作效率可以提高到96%。由于开关电源需要对当前的电压进行采样，只有当输入电压很高时才能使用，因此Buck电路采用了软件闭环控制，操作简单、稳定，MCU的负荷很小。其DC-DC降压电路如下图3-8所示。3.6输出电流测量在终端的电压输出端，一个100毫欧的电阻器与负载相连接，该电阻器的电压与负载的电流成比例，并用INA282将两端的电压进行微分放大，然后输入到电压跟踪器中，再由AD进行最后的输出，再计算出负载电流。当发现超过2.5A的输出电流时，系统会自动关机，达到过流保护的目的。4系统软件设计4.1程序流程框图本次程序设计流程框图如下图4-1所示:4.2程序设计1.AD采样显示为了保证AD采集的稳定性和精度，采用ADS1248作为单片机，ADS1248作为SPI接口。因此，通过MSP430的IO接口来模拟SPI的时间序列，可以读出各个端口的AD数值。为了防止一次采集的数据出现差错，程序对AD进行了32次取样，并将其平均到5位，从而提高了计算效率。以LCD12864进行显示，首先把每个数据转化为字符串，然后把每个长形数据进行除法和余值转化为ACILL代码，然后将数据写入SPI定时序列中。AD采集显示流程如下图4-2所示。2.PID调节当采用功率因数精确测量时，由于仅需调整后的功率因数是稳定的，因此采用差分和差分操作来进行PD的调节，既能保证系统的响应速度，又能保证系统的功率因数的稳定性，相对于开环控制来说，更具适应性。该方法的具体实施方法是：以测量功率因数与设置值之差为误差，经运算求出误差的比值和差分项的总和，作为移相电路中的数字电位器电阻的变化量，并按试验结果选择适当的比例和差动参数，其精度仅取决于电位器的调整精度和功率因数的测量精度，从而极大地减少了电路的非线性及参数的变化。PID调节流程如下图4-3所示。图4-3PID调节流程图3.DC-DC降压电路接入当输入电压超过25.5V时，由UCC28019A控制的Boost升压电路将会超过36V，因此必须采用DC-DC降压电路。在UCC28019A控制的电路中，每一个大循环都会采集到UCC28019A的输出电压，在超过36.1V的情况下，程序中的DC-DC降压电路与DC-DC降压电路相连，MSP430的PWM输出信号被打开，DC-DC下降电路中的MOS管被控制，PD根据终端输出的电压值来调整PWM的输出。5电路测试5.1测试条件及器材本次测试在室温25度的实验室进行测试，器材如下表5-1所示:表5-1测试仪器表业用记录万用表JMDDI克289CET5.2输出电压测试利用数字电气参数测定仪对输入的各参数进行测试，调节自耦变压器的输出电压，使U=24V。在这个时刻，用四比特的万用表来测量输出电压，测试数据见表5-2所示。表5-2输出电压测试表试验结果显示：在交流电压、DC、U.=36.008V的情况下，DC/DC的DC输出电压U.=36.008V，满足U.=36V+0.1V的基本需求，并比此指标更好。5.3负载调整率测试采用数字电气参数测定仪对输入的参数进行测量，并对自耦合变压器进行调整，以使输入AC电压Us=24V，然后利用四比特半表对输出电压进行测量，以使1.在0.2-2.0A之间改变，实验数据见表5-3。表5-3负载调整测试表试验结果显示，当直流电流为1=0.20A时，其输出电压U.=36.016V。在2.0A的情况下，输出电压Ua=36.008V，而负荷调节速率S=0.02%，满足和超过基础需求负荷调节速率。5.4电压调整率测试用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调整负载，使得输出电流1=2.0A，通过调整自耦变压器的输出电压U，在20~30V范围内变化，使用四位半万用表测量此时的输出电压，实验数据见表5-4。表5-4电压调整率测试表实验结果表明，在输入交流电压为U=20.0V，时的输出电压为U=39.96V，在输入交流电压U=30.0V时的输出电压为0=35.97V，通过代入电压调整率公式得出电压调整率为s=0.028%，符合基本要求的电压调整率小于等于0.5%，并且优于该指标。5.5功率因数测试用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调整自耦变压器使得输入交流电压U，=24V，调整负载，使得输出直流电流I=2.0A，使用LCD屏显示当前单片机计算得出的功率因数，实验数据如表5-5所示。表5-5功能因素测试表由上述的实验结果可知，本此设计因数测量电路能测量并显示出功率因数，误差为0.003，符合其基本不大于0.03的要求。本电路由于是具有功率因数可调电路,因此,可以作为模拟低功率因数电路使用[15]。5.6过流保护测试用四位半万用表测量输出电流，通过调整负载使得输出电流。从0.2A缓慢上升至保护动作电流，记录当前的电流，通过测试，测得过流保护电流为2.6A，符合基本要求动作电流为2.5A±0.2A。5.7AC-DC性能测试用数字式电参数测试仪测量输入端的参数，调整自耦变压器的输出电压，使得U=24V，用四位半万用表测量输出电流和输出电压，通过调整负载，使得I。=2A,U=36V，实验数据如表5-6所示。表5-6AC-DC性能测试表实验结果表明，在Us=24V,Io=2A,Uo=36V条件下，根据η=Po/Ps×100%，得出AC-DC变换电路的效率为96.7%，远大于规定中不低于95%的要求。结论本系统采用UCC28019A芯片及外围电路、MSP