应用电子技术教育论文家用电器稳压电源PFC部分设计

PAGEPAGE2本科毕业论文（设计）论文题目：家用电器稳压电源--PFC部分设计学生姓名：所在院系：机电学院所学专业：应用电子技术教育导师姓名：完成时间：

摘要随着信息技术的普及推广，电力用户对电能质量的要求日益提高，其中最基本的一条是电压的稳定和较的高功率因数。设计了基于UC3854芯片的一种有源电路功率因数校正电路方案。本文介绍了有源功率因数校正电路（APFC）的工作原理、电路分类，着重分析了电路的选择和设计。该系统采用平均电流模型，它通过脉宽调制输出的一连串脉冲信号来控制电路中开关晶体管的导通与截止，从而将输入电流与输出电压的相位重新调整到同相的状态，最终达到稳压和功率因数校正的目的。关键词：交流稳压，功率因数校正PFC，UC3854Regulatedpowersupplydesignofhouseholdappliances--PFCCircuitDesignAbstractWiththerapidincreaseofindustryanddomesticconsumptionofelectricpower,powerqualitybegantoattractmoreandmoreattention.Oneofthebasicruleofpowerqualityandhighpowerfactorthestabilityofvoltage.designbasedonUC3854chipanactivecircuitpowerfactorcorrectioncircuitprogram.Thisarticleintroducetheactivepowerfactorcorrection(APFC)workingprinciple,classificationofcircuit.focusedonananalysisoftheselectionanddesignofcircuits.ThecircuitmodelusingtheaveragecurrentthroughtheseriesofPWMoutputpulsesignaltocontrolcircuitswitchingtransistorturn-onandcut-off,sothattheoutputvoltageandinputcurrentphaseofre-adjustedtothesamestate,andultimatelyachievethepre-regulatorandthepurposeofpowerfactorcorrection.Keywords:TheACconstantvoltage,PowerfactorcorrectionPFC,UC3854目录1前言 12方案论证 13设计要求 24系统总体框图 25硬件电路的设计 35.1整流滤波 35.2PFC校正电路 35.2.1功率因数校正原理 45.2.2功率因数校正实现方法 55.2.3有源功率因数校正电路设计方案 55.2.4有源功率因数校正APFC工作原理 75.2.5有源功率因数校正APFC的设计 75.2.6电路原理分析 95.3变换电路 115.4PWM控制电路 115.5辅助电源 12结束语 12致谢 12参考文献 131前言随着社会的进步，电子技术得到了很大的发展，人们的生活水平在不断的提高，电子产品在人们生产和生活中的应用越来越多，尤其是家用电器越来越多，用户对电能质量的要求日益提高,其中最基本的一条是电压的稳定［1］。然而，电网电压不稳定尤其是农村电网电压的不稳定给用户带来很大的麻烦。电网电压过低时，使很多用电器设备无法正常工作，电压过高时极有可能损坏电器设备，甚至造成更大的危害。在农村由于输电线路比较远，用户离变压器越远电压就越低，从而导致家用电器无法正常运行，特别是在夏季用电负荷需求较大时，家用电器就无法运行。因此，各种电子设备都要求有稳定的交流电源供电，偏远的农村更是需求有稳定的交流电源供电，交流稳压电源的出现解决了这一问题。目前空间技术、计算机、通信、雷达及家电中的电源逐渐被开关电源取代。开关电源是利用现代电力电子技术控制功率开关管(MOSFET，IGBT)开通和关断的时间比率来稳定输出电压的一种新型稳压电源。从上世纪90年代以来开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，计算机、程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源。现在一般应用的串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源。这种传统的串联稳压器，调整管总是工作在放大区，流过的电流是连续的，这种稳压器的缺点是承受过载和短路的能力差、效率低，一般只有35~60%。由于调整管上损耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器。开关电源的调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率可达70~95%，稳压器体积小、重量轻，调整管功率损耗较小，散热器也随之减小。此外，开关频率工作在几十KHz，滤波电感、电容可用较小数值的元件，允许的环境温度可以大大提高。交流稳压电源形式有很多种，近年来,随着对用电设备性能指标要求的不断提高,有源功率因数校正电路APFC,这一技术成为电力电子领域研究的热点,也得到了广泛的实际应用。本文就是以研究经过功率因数校正的交流稳压电源，从而有效的利用能源，并实现稳压功能。2方案论证方案一：调整参数（谐振）实现稳压，稳压的基本原理是LC串联谐振，早期出现的含有磁饱和型稳压器的稳压电源就属于这一类。它的优点是结构简单，所需元器件较少，稳压范围相当宽，可靠性高，抗干扰和抗过载能力强。缺点是能耗大、噪声大、笨重且造价高。方案二：以伺服电机带动炭刷在自耦变压器的的绕组滑动面上移动，改变输出电压(Vo)对输入电压(Vi)的比值，以实现稳压电源输出电压的调整和稳定。它的特点是结构简单，造价低，输出波形失真小。但由于炭刷滑动，接点易产生电火花，造成电刷损坏以至烧毁而失效，且电压调整速度慢。方案三：将自耦变压器做成多个固定抽头，通过继电器或可控硅（固态继电器）作为开关器控件，自动改变抽头位置，从而实现输出电压的稳定。这种类型的稳压电源，优点是电路简单，稳压范围宽（130V-280V），效率高（≥95%），价格低。缺点是稳压精度低（±8～10%）工作寿命短。方案四：开关型交流稳压电源应用于高频脉宽调制技术，与一般开关电源的区别是它的输出量必须是与输入端同上频、同相的交流电压。它的输出电压波形有准方波、梯型波、正弦波等。市场上的不间断电源（UPS）抽掉其中的蓄电源和充电器，就是一台开关型交流稳压电源。开关型交流稳压电源的稳压性好，控制功能强，易于实现智能化，是非常具有前途的交流稳压电源。通过对以上几种方案的比较，我们选择方案四，即开关型交流稳压电源。3设计要求（1）整流滤波电路的设计；（2）PFC电路的设计；（3）变换电路的设计；（4）PWM控制电路设计；（5）辅助电源的设计；4系统总体框图整流滤波PFC校正电路变换电路输出滤波辅助电源PWM控制电路市电整流滤波PFC校正电路变换电路输出滤波辅助电源PWM控制电路市电220V图1系统总体框图5硬件电路的设计5.1整流滤波市电经过整流和滤波电路产生一组非稳定的直流电压，提供给高速电子开关以实现能量交换。从市电直接取得交流电压，首先经过C1滤除电网中的杂波干扰，再经过D1~D4桥式整流，C2、C3两次滤波，最后有输出端输出平滑的输出直流电压。电路结构如图2所示。图2整流和滤波由图2可知整流电路选择用二极管单相全波桥式整流电路，因此电路中的每只二极管承受的最大反向电压为(Ui电网电压有效值)。每只二极管的最大平均电流If=Io1/2,经过电容滤波电路后,直流输出电压：Uo1=(1.1～1.2)Ui，直流输出电流：（I是电流的有效值）。D1~D4为整流元件，实现将市电转换为脉动的直流电。C1滤除电网杂波，C2、C3将整流后的脉动直流电的脉动部分滤除，保留直流信号分量。5.2PFC校正电路PFC就是“功率因数校正”的意思，主要用来表征电子产品对电能的利用效率。功率因数越高，说明电能的利用效率越高。稳压电源采用传统的桥式整流、电容滤波电路会使AC输入电流产生严重的波形畸变，向电网注入大量的高次谐波，因此电网的功率因数不高，仅有0.6左右，并对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰。早在80年代初，人们已对这类装置产生的高次谐波电流所造成的危害引起了关注［3］。1982年，国际电工委员会制订了IEC55－2限制高次谐波的规范（后来的修订规范是IEC1000－3－2），促使众多的电力电子技术工作者开始了对谐波滤波和功率因数校正（PFC）技术的研究。电子电源产品中引入PFC电路，就可以大大提高对电能的利用效率。PFC有两种，一种是无源PFC（也称被动式PFC），一种是有源PFC（也称主动式PFC）。无源PFC一般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。有源PFC电路中往往采用高集成度的IC，采用有源PFC电路的电源，具有以下特点：（1）输入电压可以从90V到270V；（2）高于0.99的线路功率因数，并具有低损耗和高可靠等优点；（3）IC的PFC还可用作辅助电源，因此在使用有源PFC电路中，往往不需要待机变压器；（4）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；（5）有源PFC输出DC电压纹波很小，且呈100Hz/120Hz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。5.2.1功率因数校正原理（1）功率因数（PF）是指交流输入有功功率（P）与输入视在功率（S）的比值。即式中：I1表示输入基波电流有效值；Irms表示输入电流有效值；

表示输入电流失真系数；表示基波电压和基波电流之间的相移因数。所以功率因数可以定义为输入电流失真系数（）与相移因数（）的乘积。可见功率因数（PF）由电流失真系数（）和基波电压、基波电流相移因数（）决定。低，则表示用电电器设备的无功功率大，设备利用率低，导线、变压器绕组损耗大［4］。同时，值低，则表示输入电流谐波分量大，将造成输入电流波形畸变，对电网造成污染，严重时，对三相四线制供电，还会造成中线电位偏移，致使用电电器设备损坏。（2）PF与总谐波失真系数（THD：TheTotalHarmonicDistortion）的关系由及有即5.2.2功率因数校正实现方法由功率因数可知，要提高功率因数，有两个途径：1.使输入电压、输入电流同相位。此时，所以。2.使输入电流正弦化。即Irms=I1（谐波为零），有I1/Irms=1即：从而实现功率因数校正。利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形，使输入电流波形呈纯正弦波，并且和输入电压同相位，此时整流器的负载可等效为纯电阻，所以有的地方又把功率因数校正电路叫做电阻仿真器。5.2.3有源功率因数校正电路设计方案有源功率因数校正（APFC），就是在整流器和负载之间接一个DC－DC变换器，应用电流反馈技术，使输入端电流波形跟踪交流输入正弦波形，从而把功率因数提高到0.99或达到1。由于有源功率因数校正电路结构模式有若干种，需要进行比较后确定一种结构。有源功率因数校正电路按结构分有以下几种：（1）降压式如UC3871，因其噪声大，滤波困难，功率开关管上的电压应力大，控制驱动电平易浮动，故很少被采用。（2）升/降压式如TDA4815、TDA4818，须用两个功率开关管，其中一个功率开关管上的驱动控制信号浮动，电路复杂，故较少被采用。（3）反激式如ML4813，输出与输入隔离，输出电压可以任意选择，采用简单电压型控制，适用于150W以下小功率的应用场合。（4）升压式（boost）此方法被广泛采用，其特点为简单电流型控制，PF值高，总谐波失真系数THD小，效率高，但是输出电压高于输入电压。适用于75～2000W功率范围的应用场合，应用最为广泛。它具有以下优点：电路中的电感L适用于电流型控制；由于升压型PFC的预调整作用在输出电容C上保持高电压，所以电容C的体积小、储能大；在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数；输入电流连续，并且在APFC开关瞬间输入电流小，易于EMI滤波；升压电感L能阻止电压、电流的瞬变，提高了电路的可靠性。有源功率因数校正电路按输入电流的控制原理分有以下几种：（1）平均电流型如ML4832、UC3854，工作频率恒定，采用连续调制模式（CCM）。这种控制方式的优点是恒频控制；工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小；能抑制开关噪声；输入电流波形失真小。主要缺点是控制电路复杂；须用乘法器和除法器；须检测电感电流；需电流控制环路。（2）滞后电流型。如CS3810，工作频率可变，电流达到滞后带内发生功率开关通与断操作，使输入电流上升、下降。电流波形平均值取决于电感输入电流。（3）峰值电流型。如ML4831、MC34262，工作频率可变，采用不连续调制模式（DCM）。DCM采用跟随器方法具有电路简单、易于实现的优点，主要缺点是功率因数和输入电压与输出电压的比值有关，即当输入电压变化时，功率因数PF值也将发生变化，同时输入电流波形随输入电压与输出电压的比值的加大而总谐波失真系数变大；开关管的峰值电流大（在相同容量情况下，DCM中通过开关器件的峰值电流为CCM的两倍），从而导致开关管损耗增加。所以在大功率APFC电路中，常采用CCM方式。（4）电压跟踪控制型如ML4813、SG3561，工作频率固定，采用不连续调制模式（DCM）。基于以上各种电路结构的特点分析可知，考虑到电器设备的功率范围在100～500W的应用场合，选择工作于连续调制模式下的平均电流型升压式APFC电路来实现较为适合。5.2.4有源功率因数校正APFC工作原理图3有源功率因数校正APFC工作原理图有图3可见，主电路由单相桥式整流电路和DC-DCBoost变换器组成。虚线框内为控制电路，包括电压误差放大器U2及基准电压Ud、电流误差放大器U1、乘法器M、PWM及驱动器等。APFC工作原理如下：主电路的输出电压U0和基准电压Ud比较后,输入给电压误差放大器U2；整流电压Udc检测值和U2的输出电压信号共同加到乘法器M的输入端；乘法器M的输出则作为电流反馈控制的基准信号，与开关电流检测值比较后，经过电流误差放大器U1加到PWM及驱动器，以控制开关管VT的通断，从而使输入电流的波形与整流电压Ui的波形基本一致，使电流谐波大为减少，从而提高功率因数。5.2.5有源功率因数校正APFC的设计本设计采用美国Unitrode公司生产的APFC用集成电路UC3854来实现，下面就UC3854作具体介绍。UC3854，是Unitrode公司生产的一款高功率因数校正集成控制电路芯片，它的峰值开关电流近似等于输入电流，对瞬态噪声的响应极小，是一款理想的APFC控制芯片。其结构框图如图4所示。UC3854包含了采用平均电流型功率因数控制必须的全部功能，有图4可见，UC3854主要包括：电压放大器VA，模拟乘法/除法器,电流误差放大器CA，固定频率脉宽调制器PWM，功率MOS管的门级驱动器，7.5V基准电压以及软启动输入电压前馈、输入电压钳位、过流保护的比较器等。图4UC3854的总体结构框图

模拟乘法器/除法器的输出信号 IM作为基准电流，它与乘法器的输入电流IAC（约250UA,取自输入电压，故与输入电压瞬时值成比例）的关系为式中，UAO为电压放大器的输出信号；Urms约为1.5V至4.77V，由APFC的输入电压经过分压后提供；K=-1为比例系数。从UAO中减去1.5V是芯片设计要求。平方器和除法器起前馈的作用，使输入电压变化时输入功率稳定［5］。例如，设UAO不变，而输入电压增加一倍，IAC和Urms（均与输入电压成正比）也增加一倍，U2rms则变为4倍，IM将减半从而通过控制调节使输入电流减半，结果输入功率保持不变。UC3854引脚功能依次介绍如下：1-Gnd，接地端，器件内部电压均以此电压为基准。2-PKLMT，峰值限定端节电流检测电阻的电压负端。当电流检峰测值过高时，电路将被关闭。3-CAOut，电流误差放大器的输出端，对输入总线电流进行传感，并向脉宽调制器发送电流校正信号的宽带运放输出。4-Isense，电流传感信号接至电流放大器反向输入端，4脚电压应高于－0.5伏（因采用二极管对地保护）。5-MultOut，乘法放大器的输出和电流误差放大器的正向输入端6-IAC，乘法器前馈交流输入端，与B端相连，6脚的设定电压为6伏，通过外接电阻与整流桥输出工频总线相连，并用电阻与芯片内基准相连。7-VAOut，误差电压放大器的输出端，这个信号又与乘法器A端相连，但若低于1伏乘法器便无输出。8-VRMS，前馈总线电压有效值端，与跟输入线电压有效值正比的电阻相连时，可对线电压的变化进行补偿。9-VREF，基准电压输出端，可对周边电路提供10mA的驱动电流。10-ENA，允许比较器输入端，不用时与＋5伏电压相连。11-VSENSE，电压误差放大器反向输入端，在芯片外与反馈网络相连，或通过分压网络与功率因子较正器输出相连。12-RSET，12脚信号与地接入不同的电阻，用来调节振荡器的输出和乘法器的最大输出。13–SS，软起动端，与误差电压放大器同相端相连。14–CT，接对地电容器CT，作为振荡器定时电容。15–VCC，正电源阈值为10V～16V。16-GTDrv，PWM信号的输出端，外接MOSFET管的栅极，该端电压箝位在15V。5.2.6电路原理分析电路如图5所示，该电路由两部分组成：以UC3854为核心的控制电路和升压变换器电路。升压变换器电路由变压器T初级、功率管VT、隔离二极管D5和滤波电容C3组成。变压器初级工作于电流连续状态，此时，脉冲占空比决定于输入与输出电压之比，输入电流的纹波很小。控制电路由UC3854及外接元器件组成。驱动脉冲的占空比同时受以下4个输入信号控制：直流输出电压取样信号VSENSE、电网电压波形取样信号IAC、电网电流取样信号ISENSE/MultOUT和电网电压有效值取样信号VRMS。升压变换控制过程为：整流输出电压信号、电流输入信号、电压反馈取样信号经处理后，分别得到IAC、VRMS、VSENSE三个信号，送到UC3854片内模拟乘法器分别作为乘法器三个信号A、B、C，经运算后得到一个输入电流参考信号IM，然后IM与输入电流取样信号进行比较，经差模误差放大，再与斜坡信号进行比较，最后经过触发器和驱动，产生GT-DRIVER，作为PWM信号，经过驱动电路后送到变换开关管的控制极，驱动开关管。IM为输入电流的参考给定，IAC是反映输入电压波形的电流信号；VSENSE是高压直流反馈误差信号的放大输出；VRMS为输入电压有效值的平方，在控制环中起前馈作用。在输入电压一定时（即VRMS一定），输入电流的波形取决于输入电压的波形信号，而输入电流的幅值则取决于高压直流的反馈信号的误差放大输出VSENSE。输入电流的取样信号经二阶滤波后送到UC3854的MULT和ISENSE与参考电流信号（即CAOUT信号）进行比较，同时也送到PKLMT脚，供输入峰值电流检测，以保护开关管。图5设计电路原理图（1）控制输入输出直流电压取样信号VSENSE输入门限电压为7.5V，输入偏置电流为50nA。输出端分压电阻值应保证该脚输入电压不高于7.5V，如图5中的电阻R11、电容C7和二极管D7组成电压放大器补偿网路。为了强制电网输入电流的波形与输入电压的波形相同，必须在6脚IAC加入电网输入电压波形取样信号。该信号与电压误差放大器的输出信号在乘法器中相乘，产生电流控制回路的基准电流。电流放大器两输入端ISENSE和Mult间有0.25Ω电流取样电阻，C4、C5、R13与D6组成电流放大器补偿网络［6］。电流放大器具有很宽的带宽，可使电网电流跟随电压而变化。电网电压有效值取样VRMS：该电路交流输入电压可在90~260V之间变化，采用电网电压有效值前馈电路，可保证输入电压变化时输入功率不变（假设负载功率不变），为此，在乘法器中，电网电流必须除以电网电压有效值的平方，加到VRMS的电压正比于已整流电网电压的平均值（也正比于有效值）。该电压在芯片内平方后作为乘法器的除数，乘法器的输出电流IM（脚5）与IAC和电压放大器输出VAOUT电压成正比，与VRMS电压的平方成反比。即（2）PWM频率设计在该电路中，振荡器的工作频率为100k，该频率由14脚CT外接电容C11和RESET脚外接电阻R18决定。（3）输入保护保护电路由使能引脚（ENA）、软启动电路（SS）和峰值电流限制（PKLMT）组成。ENA（使能）电压达到2.5V后，基准电压和驱动电压（GTDrv）才能建立。接通电源并经过一定延时后，才能输出驱动信号，如果不用此功能，该信号应通过100kΩ电阻接到VCC。13脚SS（软启动）电压可降低电压误差放大器的基准电压，以便调整功率因数校正电路的直流输出电压。该电路输出电流，对C18软起动电容充电，使两端电压从0V上升到7.5V。2脚PKLMT（峰值电流限制）可限制功率MOSFET的最大电流。采用图5中所示的分压,当电流取样电阻两端电压为（15V×2.2kΩ）/12.2kΩ=2.7V时，最大电流为16A（6A×0.17Ω=2.7V），此时，脚PKLMT的电压为0V，输出电流大于16A时，将开始限流。5.3变换电路变换电路是将从PFC输出的高功率因数的平滑直流电压变为波形为方波的交流电。变换电路是由EPWM桥式斩波器S1～S4及其输出变压器Tr。桥式斩波器是串联在PFC校正电路和负载之间的，以便对变换后的电压波动进行正、负补偿。5.4PWM控制电路根据脉宽度冲调制原理，得到需要的一定占空比脉冲宽度，推动开关功率管的开与关，经变压器耦合后得到恒定的输出电压。脉冲宽度调制信号就是由PWM比较器产生。芯片的控制速度、效率、功耗很大程度上都是由PWM比较器决定。文中设计并实现了一种新型高性能的开关电源电压型PWM比较器，具有较低输入失调电压、转换速率快、较低功耗和波形更陡。PWM产生电路由正弦波产生电路、三角波产生电路和比较器三个部分组成，正弦波加到比较器的反向输入端，三角波加到比较器的同向输入端，比较器输出端产生受正弦波瞬时幅度而变化的脉冲宽度调制波。5.5辅助电源辅助电源如图6所示，电压经过单相全桥整流，通过C1滤波，有LM317稳压然后经过电容C2滤波，调节电位器便可以获得所需电源。图6辅助电源结束语本毕业设计的宗旨是如何提高功率因数，并且结合开关式电源设计方案，把功率因数校正电路引用到开关式交流稳压电源中。本毕业设计论文阐述一种利用功率因数校正，把交流电转换为直流电，在转换过程中对电压和电流的相位进行校正，促使电压和电流基本上同相位，从而来实现提高功率因数并实现预稳压。然后再利用等脉冲宽度调制（EPWM）技术配合高速电子开关、高频电子变压器和LC滤波器实现交流开关式稳压电源的实现思路并组装出样机予以测试。与传统的交流稳压电源相比，具有效率高、体积小、非线性失真度低、输出电压和电流稳定等特点。致谢这次毕业设计是在张老师的精心指导和大力支持下完成的。在课题选定、理论基础和方案的论证上，张老师为我们做了认真的分析和耐心的讲解，还给我们提供市场上已有的稳压电源让我们参考，让我们少走了许多弯路，已有的成品也给我们的设计带来了很多启发。所以说，从理论指导到实际操作张老师也给我提供了极大