200W PFC整流电源设计Word格式文档下载.docx
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PowerfactorcorrectioncontrolcircuitusesICUC3854,whichusesaveragecurrentcontrolmode,thedevicehasasoftstartfeatureandhasahighreferencevoltageamplitudeoftheoscillatoroutput,improvednoisetoleranceofthedevice,suitableforlargepoweroccasions.
WorkingpaperintroducesmethodsandtheroleofPFC,theapplicationaccordingtothecharacteristicsofthePFCrectifiermodule,rectifiercircuitaftertheintroductionofthemaincircuitandcontrolcircuitdesignandanalysis,themaincircuitandcontrolcircuitrelatedphysicalquantitiesarecalculated,seeifitmeetstheperformancerequirements.
Keywords:
PFCRectifierPowerFactorCorrection
第一章引言
1.1课题的背景和意义
随着电力电子器件，拓扑和控制技术的发展，现代电子技术日益成为一个高效率，常规设备和产业升级的关键技术转型的重要手段，正成为我国国民经济和国防的重要基础技术支撑。
在电解，电镀，金属着色，电泳电化学工业中，需要各种高功率和超高功率直流或脉冲电源，电源设备和装置在电力电子技术领域已被广泛使用，它们各自的长期性能直接关系到生产的产品的质量，成本和生产效率重要方面。
常规电化学电源主要是用频率变压器及其他电器元件以及晶闸管或二极管整流桥的配置，且当前的技术是成熟的，稳定的和可靠的，它已被广泛应用。
但随着人们对生产工艺、生产效率以及能耗水平的要求不断提高，传统电源凸显出许多不足之处。
因此，高效的供电单元是发展的必然趋势，而高频化的电源是提高效率的主要途径。
1.2PFC整流电源的发展
1.2.1国内发展现状
常规电化学电源主要用于高频变压器及其他电器元件以及晶闸管或二极管整流桥的配置，且现在的技术是成熟的，稳定的和可靠的性能，已被广泛使用。
但是，随着生产技术，生产效率，能源消费水平的提高，传统能源凸显许多不足之处。
首先，这些设备的功率消耗高，效率低;
其次，由于工频变压器，整个装置体积庞大;
此外，铜，铁等原料资源日趋紧张，增加了设备的总成本;
更重要的是：
对于设备的控制来说精度会有所降低，而且它们缺乏过程控制、科学合理有效的管理手段，也是大量的电力损耗原因之一。
近年来，国内和国外先后已经探索出可以在低压领域应用的电化学电源。
与传统的整流电源相比较，具有效率高，重量轻，体积小，良好的动态性能等。
因此，在今后的时间里基于大功率开关电源的电化学电源会得到广泛应用，是目前主流的研究方向。
1.2.2国外发展现状
泰国麦汉可（Mahanakor）大学电气学院的S．Trerutpicham和蒙卡特学院（Mongkut）的S．Potikjkul研制出输入电压220V、输入电压频率50Hz，它的输出电压是5KV、电流1A、逆变频率为200KHz、工作效率80％以上的高频电源。
日本松下电气和Yamoguchi学院的H．Terai、T．Hiyaehi利用单相半桥逆变和软开关技术，为大功率感应加热炉研制出逆变频率20KHz，输出功率为2KW的直流电源。
1.2.3整流电源在大功率场合的发展趋势
今天，对于开关电源处于低功率的领域中有最重要的市场，但在更高功率领域中，开关电源具有明显的优势。
随着开关电源技术在中等功率的新的发展和应用将会有更好地发展。
高频，体积小，效率高，无污染，模块化是对于今天的开关电源转换技术发展的总结。
1）高频化、小型化
高频开关电源技术是创新的电源转换技术。
它是为了尽可能的减小高频电源的体积、重量，提高功率密度的重要技术手段。
开关电源体积，重量，初级（磁性元件和电容）由能量存储元件来确定，因此，在本质上小型化的开关电源是最小化存储元件的体积。
在一定范围内，较高的开关频率，不仅可以有效地降低电容，电感，以及变压器的大小，最重要的是可以抑制干扰，提高电力系统的动态性能。
因此，它是高频开关电源的主要发展方向。
2）高效率
由于电源效率是非常重要的主要指标之一。
高频率的结果是开关损耗显著增加。
因此，自80年代末，软开关电源变换技术研究一直是一个热门话题。
软开关技术在理论上允许的开关损失被减少到零。
事实上，它可以从80％呈现各种电源模块的转换效率到90％，达到了高频率，高效率的功率转换。
3）无污染
很多电力电子的广泛应用的，对输入电源谐波电流有很大的提高，功率因数大大降低，从而使供电网络显著污染。
该开关电源电路的输入通常是一个二极管整流器电流滤波，且仅为0.6-0.7交流侧的功率因数输入电流脉冲的组合。
1.3课题研究方法和目标
课题采用高功率因数校正集成控制电路芯片UC3854和ZVT（零电压转换）软开关设计200WZVT-PFC整流电源。
设计采用升压电路构成ZVT-PFC整流电源，主电路由主开关S，谐振电感L，谐振电容C，二极管D等元器件共同构成ZVT电路，使主开关工作在零电压条件下开通。
控制电路采用精密的功率因数校正集成电路UC3854，它采用平均电流控制模式，该设备有一个软启动功能，并具有较高的基值电压和振荡器输出幅值，不仅是提高了装置的噪声容限，而且是适合于功率放大场合。
通过整流模块实现输入电压218V-257V，输出电压400V，额定功率200W，额定功率因数大于0.95。
1.4本章小结
这一章主要介绍了这一课题的研究背景，目的以及意义，随着经济的发展以及电力电子技术的日趋成熟，大功率整流电源将被更广泛的应用。
这一小结里确定了整体的设计思路，课题采用高功率因数校正集成控制电路芯片UC3854和ZVT（零电压转换）软开关设计200WZVT-PFC整流电源。
设计采用升压电路构成ZVT-PFC整流电源，主电路如下图其中主开关S，谐振电感L，谐振电容C，二极管D等元器件共同构成ZVT电路，使主开关工作在零电压条件下开通。
第二章PFC及整流电源
2.1AD-DC电路的输入电流谐波分量
从220V交流电网接入交流电经过整流供给设备直流电是电力电子技术及电子仪器中比较普遍的一种方案。
例如，在输入离线开关电源，交流电源的全波整流后，一般取一个大电容，以获得一个直流电压波形相对平坦的整流器-电容滤波电路是非线性元件和存储元件的组合。
因此，虽然输入交流电压Vi是正弦的，但输入波形交流电流Ii是严重失真，表示脉冲形状。
由此可见，大量应用整流电路，要求电网供给严重畸变的非正弦电流，造成的严重后果是：
谐波电流对电网有危害作用，输入端功率因数下降。
2.1.1谐波电流对电网的危害
脉冲状的输入电流，含有大量谐波，一方面使谐波噪声水平提高，同时在AD-DC整流电路的输入端必须增加滤波器，造成成本，体积，重量均增加。
大量电流谐波分量倒流入电网，造成对电网的谐波‘污染’。
一方面产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗造成谐波电压降，反过来使电网电压也会发生畸变；
另一方面，会造成电路故障，使变电设备损坏。
例如线路和配电变压器过热；
谐波电流会引起电网LC震荡，或高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过流，过热而爆炸；
在三相电路中，中线流过三线三次谐波电流的叠加，使中线过流而损坏，等等。
2.1.2AD-DA变流电路输入端功率因数
由于谐波电流的存在，使AD-DC变流电路输入端功率因数下降，负载上可以得到的实际功率减少。
脉冲状的输入电流波形，有效值较大而平均值小。
所以电网输入伏安数大，负载功率却较小。
就像下图电路中，设置输入正弦电压有效值为Vi=230V，输入非正弦电流有效值为Ii=16A时，输入伏安数为ViIi=3680VA,而负载功率只有2000W，当电路的效率为95%时，其输入功率因数可计算得出2000/3680*0.95=0.516。
一般下图电路的输入功率因数为0.55~0.65.如果采取适当措施，使上图电路的输入电流为正弦，则输入功率因数可接近1，而负载功率可达3500W。
图2-1
2.1.3对AD-DC电路输入端谐波电流限制
为了减少AD-DC变流电路输入端谐波电流造成的噪声和对电网产生的谐波“污染”，以保证电网供电质量，提高电网的可靠性；
同时也为了提高输入端功率因数，以达到节能的效果；
必须限制AD-DC电路的输入端谐波电流分量。
2.2功率因数
2.2.1功率因数的定义
电工原理中线性电路的功率因数习惯用
表示
为正弦电压与正弦电流间的相位差。
由于整流电路中二极管的非线性，尽管输入电压为正弦，电流却为严重非正弦，因此线性电路的功率因数计算不再适用于AD-DC变流电路。
用PF表示功率因数。
定义PF=有功功率/伏安=P/VI
那么我们设AD-DC变流电路的输入电压Vi（有效值为V）为正弦，而设定输入的电流为非正弦，其有效值为
（2.1）
在式中I1、I2...In分别为电流基波分量，二次谐波，
n次谐波电流的有效值。
设基波电流i1落后Vi，相位差为
，则有功功率和功率因数可表示为
（2.2）
（2.3）
式中I1/I表示基波电流相对值（以非正弦电流有效值I为基值），称为畸变因数，即功率因数为畸变因数和位移因数的乘积。
当
时，
。
2.2.2AD-DC电路输入功率因数与谐波的关系
定义总谐波畸变（THD）
（2.4）
Ih为所有谐波电流分量的总有效值。
由式（2.3），（2.4）可得
畸变因数
时（2.5）
由式（2.5）所得计算值与实测值的对比如下表
表2-2计算值与实测值的对比表
PF
0.5812
0.9903
0.995
0.99875
0.99955
THD%（计算值）
140
14
10
5
3
THD%（实测值）
7
4.27
由表可见，当
时，PF值可控制在0.999左右。
2.3PFC介绍
2.3.1PFC基本介绍
PFC的英文全称为“PowerFactorCorrection”，是治理谐波的一种有效方法。
意思是“功率因数校正”，功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值。
基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。
计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高功率因数。
目前的PFC有两种，一种为被动式PFC（也称无源PFC）和主动式PFC（也称有源式PFC）。
被动式PFC一般分“电感补偿式”和“填谷电路式”，“电感补偿式”是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，“电感补偿式”包括静音式和非静音式。
“电感补偿式”的功率因数只能达到0.7～0.8，它一般在高压滤波电容附近。
“填谷电路式”属于一种新型无源功率因数校正电路，其特点是利用整流桥后面的填谷电路来大幅度增加整流管的导通角，通过填平谷点，使输入电流从尖峰脉冲变为接近于正弦波的波形，将功率因数提高到0.9左右，显著降低总谐波失真。
与传统的电感式无源功率因数校正电路相比，其优点是电路简单，功率因数补偿效果显著，并且在输入电路中不需要使用体积大重量沉的大电感器。
主动式PFC则由电感电容及电子元器件组成，体积小、通过专用IC去调整电流的波形，对电流电压间的相位差进行补偿。
主动式PFC可以达到较高的功率因数──通常可达98%以上，但成本也相对较高。
此外，主动式PFC还可用作辅助电源，因此在使用主动式PFC电路中，往往不需要待机变压器，而且主动式PFC输出直流电压的纹波很小，这种电源不必采用很大容量的滤波电容。
2.3.2PFC工作原理
PFC的工作原理如下：
主电路的输出电压为Vb和基准电压Vr比较后，输入给电压误差放大器VA，整流电压检测值和VA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Is检测比较后，经过电流误差放大器CA加到PWM发生器，以控制开关的通断，从而使输入电流（即电感电流）的波形与整流电压的波形基本一致，使电流谐波大为减少，提高了输入端功率因数，由于功率因数校正器同时保持电压输出恒定，使下一级开关电源设计更容易些。
图2-2
2.3.3PFC的作用
作用是节省能源!
就是说让电网中的能源尽可能被100%利用,但是实际中做不到,但可以接近,比如PFC99%等,也就是说有用功越多越好,无用功越小越好。
功率因数低,谐波含量太高,对电网的冲击就大,严重时会影响到其他电器的正常工作。
1由于设备中有电容,电感,变压器等器件使电压和电流不同步,这样出现无功功率,
2由于开关管,整流器等作用,输出电流中有畸变,谐波含量比较大,这样导致功率因数下降.它的危害是显然的,主要是对电网以及电器设备及器件的冲击力很大,容易毁坏器件。
而无源PFC只是在器件的前端和后端分别用差模和共模来滤波,这样加L,C导致体积很大,而且功率因数只能达到0.85左右;
而APFC采用DC-DC用控制电路使输入电流跟随输入电压,而且调整输入电流畸变程度。
PFC一个作用就是减少电网的谐波污染。
2.3.4升压有源功率因数校正（APFC）的优点和缺点
由于本设计采用Boost有源功率因数校正器进行设计所以主要介绍其优缺点。
优点:
（1）输入电流连续，EMI小，RFI低。
（2）输入电感，可减少输入滤波要求，并可防止电网对主电路高频瞬态冲击。
（3）输出电压大于输入电压峰值，在有些城市和地区例如对市交电100V比较适合。
（4）S电压不超过输出电压的值。
（5）开关器件S的电压不超过输出电压值。
（6）可以在国际的标准内正常的使用。
缺点:
（1）输入，输出间没有绝缘隔离。
（2）在电路开关S，二极管D以及输出电容器形成杂散电感，25-100kHzPWM频率下，这是危险的过压，开关S形成不利的影响。
2.4整流电源
整流电源是提供大直流电流、直流电压的装置。
工艺是将交流电经过整流变压器把电流整成需要的电流（A）以8000A/30V为例。
交流380V进入整流变压器，变压器输出是交流8000A/30V（因很多场合需要大直流电流当作电解电流）所以还得将交流8000A/30V经过可控硅整成直流8000A/30V。
通过控制可控硅导通角的角度来控制可控硅中电流通过的大小，所以，额定8000A/30V的整流电源，可以输出从0A-8000A的电流和0V-30V的电压。
其值可以根据需要所定。
整流电源一般多用于电解铜矿、锌矿等有色金属。
还可电解水来产生氢气。
2.5本章小结
本设计利用PFC对整流电路进行功率因数的校正，PFC的英文全称为“PowerFactorCorrection”，是治理谐波的一种有效方法。
整流电源是提供大直流电流、直流电压的装置。
工艺是将交流电经过整流变压器把电流整成需要的电流。
第三章整流模块主电路设计
3.1主电路原理
本设计采用升压电路构成ZVT-PFC整流电源，电路由辅助开关S，谐振电感Lr，谐振电容Cr，二极管D等元件共同组成ZVT电路，使主开关工作在零电压条件下开通。
3.1.1ZVT-PWM变换器
谐振网络与主开关并联的零电压开关-PWM变换器，称为零电压转换，简称ZVT-PWM变换器。
Boost型ZVT-PWM变换器电路如下图。
从图中可以看出，在主开关Tr上除并联有谐振电容Cr外，还并联一个谐振电感支路，由谐振电感Lr，辅助开关Tr1及二极管D1共同组成。
辅助开关Tr1在主开关Tr之前开通，让谐振网络开始导通，使主开关电压为零，制造除主开关零电压导通的条件。
如果另输入电感很大，那么可以用恒流电源取代它，输出端电压能够用恒压源取代。
下图为Boost型ZVT-PWM变换器一个时间周期内各主要电量的波形图。
图3-1Boost型ZVT-PWM变换器一个时间周期内各主要电量的波形图
假设t<
T0时，主开关和辅助开关都处于关断状态，二极管D处于导通状态，在一个时间周期内Boost型ZVT-PWM变换器可分为七中运行状态，表3-1Boost型ZVT-PWM变换器运行状态表
状态
1
2
4
6
时间段
特征
直线上升
谐振
ZV开通
下降
恒流
线性充电
续流
off
off
on
on
下降到0
上升到
<
3.1.2运行状态分析
1.T0~T1Lr电流呈线性增加的阶段
t=T0，辅助开关Tr1导通，谐振电感电流ilr呈线性增加，t=T1时刻电流达到Is，二极管电流Id却从Id开始呈线性下降，在t=T1时刻电流下降到0，二极管D在零电流状态下关断，如果采用快速恢复二极管，那么就可以忽略二极管的反向恢复电流，在这个阶段中Vds不发生变化。
2.T1~T2谐振阶段
谐振电容及谐振电感谐振，谐振电感电流ilr谐振上升，但是电压Vds从V0开始谐振下降。
在t=T2时刻，Vds=0，主开关的反并联二极管开始导通。
3.T2~T3主开关ZV导通
由于Tr的体二极管已经处于导通状态，创造出了ZVS条件，所以应该利用这个机会，在t=T3时刻给主开关加上一个驱动信号，另主开关在零电压条件下导通。
4.T3~T4ilr呈线性下降的阶段
t=T3时刻，辅助开关不导通，由于二极管D1处于导通状态，辅助开关的电压被钳在V0这个值上，谐振电感的储能释放给负载，其电流呈线性下降。
在t=T4时刻，ilr为零。
5.T4~T5ids保持不变的阶段
在t=T4时刻，二极管D1关断，这个时候BoostZVT-PWM变换器就和Boost型PWM变换器的开关管导通的情况是相同的，这时ids=Id。
6.T5~T6电容呈线性充电的阶段
在t
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