毕业设计论文交流变直流的整流装置.docx

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毕业设计论文交流变直流的整流装置

摘要

随着电子信息产业技术的飞速发展，交流变直流的整流装置得到了广泛的应用，装置中大量的谐波电流造成了谐波污染，降低了电网的功率因数，产生电磁干扰。

近年来功率因数校正技术受到了国内外电源界的高度重视。

论文首先阐述了功率因数校正技术的研究现状，对有源功率因数技术和无源功率因数技术进行了分析和对比，指出了它们各自的优、缺点和适用范围。

论文分析了有源功率因数校正器的基本工作原理；对有源功率因数校正的主电路的典型拓扑进行阐述。

论文选择并采用MC33262作为主控芯片，设计了一个宽电压输入（90Vac~260Vac）、输出400Vdc/2A的单级有源功率因数校正电路。

论文给出了具体的控制电路参数和功率电路参数的计算以及详细电路图，并进行了调试，结果表明有源功率因数校正技术对电能的使用效率相比无源功率因数校正技术和普通电路要高的多，应用有源功率因数校正技术是高效使用电能的直接方法。

关键词：

有源功率因数校正；无源功率因数校正；MC33262

Abstract

Astheelectronicinformationindustry,therapiddevelopmentoftechnology,exchangevariableDCrectifierdevicehasbeenwidelyuseddevicescausedalargenumberofharmoniccurrentharmonicpollution,reducingthegridpowerfactor,resultinginelectromagneticinterference.Inrecentyears,powerfactorcorrectiontechnologyathomeandabroadbythepowerindustry'sattention.

Paperbeginsbydescribingthepowerfactorcorrectiontechnology,thestatusofresearchontheactivepowerfactortechnologyandpassivepowerfactortechniqueswereanalyzedandcompared,pointingouttheirrespectiveadvantagesanddisadvantagesandscopeofapplication.Paperanalyzestheactivepowerfactorcorrectionofthebasicworkingprinciple;pairsofactivepowerfactorcorrectiontypicalofthemaincircuittopologyelaborate.PapersselectedandusedasamasterMC33262chip,designedawidevoltageinput（90Vac~260Vac）,theoutput400Vdc/2Asingle-stageactivepowerfactorcorrectioncircuit.Papergivesthespecificparametersofthecontrolcircuitandpowercircuitparametersofthecalculationaswellasdetailedcircuitandmadedebugging,resultsshowthattheactivepowerfactorcorrectiontechnologyfortheefficientuseofenergycomparedwithpassivepowerfactorcorrectioncircuittechnologyandthegeneralhighermultiple,activepowerfactorcorrectiontechnologyistheefficientuseofenergyinaneffectivemanner.

Keywords：

ActivePowerFactorCorrection;PassivePowerFactorCorrection;MC33262

第1章绪论

1.1课题背景

传统的高压直流电源通常是用220V工频交流电经变压器升压、整流滤波而获得的,使得电源的体积和重量很大,并且纹波较大,稳定性不高,效率低。

本文将PWM技术应用于高压电源中,做成高频高压电源,大大减少电源的体积和重量,提高了电源的稳定性和效率。

高频功率脉冲变压器其主要作用为磁藕合传递能量、电气隔离、电压变换和阻抗变换等,其性能的好坏不仅直接影响到输出是否产生波形的畸变及能量传输的效率,而且可能影响到功率开关器件的安全工作。

本电源开关频率为20kHz,高压交流电源输入电压220V,直流输入15V,定点可调,纹波系数较小,整个电源效率在90%以上。

1.2功率因数校正

功率因数校正PFC（PowerFactorCorrection），顾名思义，就是校正功率因数。

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。

1.3功率因数校正技术的发展状况

综观PFC技术的发展，PFC技术可划分为两大类：

一类是无源PFC技术，另一类APFC（ActivePowerFactorCorrection，有源功率因数校正）技术。

目前研究最多的是APFC技术。

有源功率因数校正的概念起源于1980年，但被重视和推广则在20世纪80年代末和90年代初。

欧洲和日本相继对开关电源装置的输入谐波要求制定了标准，目前有两个标准，它们是IEC555-2和IEC1000-3-2，这使得研究PFC技术成为电源界的热点。

APFC的研究目前最被关注的是下面两类：

一类是两级APFC技术，二类是单级APFC技术。

两级APFC技术通常由一个专门用于PFC的前置功率级和一个DC／DC变换器构成，而这一前置功率级基本上都是Boost电路。

单级APFC一开始是在对两级方法简化的基础上再另辟途径进行专门研究的。

开关电源由于其体积、重量和效率的优势正逐步取代线性电源，在各个领域获得广泛应用。

传统的非控整流开关电源，由于存在着前面介绍的种种弊端，国际电工委员会（IEC）早在20世纪90年代初就制定了有关法规，严格限定设备的功率因数必须接近于1。

在当前大力倡导绿色电源的背景下，提高开关电源的功率因数也已经成为国内电源厂商的当务之急。

1.4论文的主要工作内容

1.4.1了解课题

我毕业设计课题是具有功率因数校正的整流电源电路设计，它使我有机会了解功率因数校正技术的发展和应用情况，并对它的作用有了充分的认识并加以应用。

以无极灯为例，在无极灯的电源电路中应用到了本次设计的内容，功率因数校正技术是该产品不可或缺的核心技术。

出于对能源消耗和环境保护的重视，1997年10月1日我国“绿色照明工程”正式启动，逐渐形成了“绿色照明”的新兴产业，节能省电的光源越来越受到人们的关注。

被誉为二十一世纪“绿色照明”领域一枝新秀的无电极高频荧光灯，作为90年代后期才发展起来的一种高科技电光源，无电极、无灯丝，是继汞灯、钠灯、节能灯、金卤灯等光源之后的新一代电光源，属于国际第四代电光源。

每年就可节约用电300亿kWh，相当于为国家节约200多亿元人民币。

1.4.2学习课题

该课题以有源功率因数校正技术应用为核心，在做本课题实物之前广泛阅读有关功率因数校正的书籍，从中了解了该技术的起步和发展，以及现在的应用情况。

对开关电源的基本构成、分类，功率因数校正技术应用及其控制模式进行充分的理解。

先对功率因数校正的目的和意义简要的了解，然后对功率因数技术和电流谐波含量进行分析，再对该技术应用外围电路及本次课题系统电路组成结构进行深入的认知。

1.4.3设计课题

在指导老师的指引下把课题设计与实际市场能够买到的电子元器件紧密联系起来。

分析有源功率因数校正的基本原理，对APFC的主电路拓扑进行比较；分析APFC电路的几种控制方法。

根据电路指标DC/DC变换选择采用反激方式，工作状态选择采用临界电流工作模式（CRM模式）。

芯片使用MOTOROLA公司的CRM模式的APFC控制芯片—MC33262，参考采用该芯片设计控制电路的原理。

计算电路主要元件参数，完成电路设计，得出详细的电路图。

第2章方案选择和系统的介绍及其原理

为了解决在绪论里提到普通电路存在的问题，如何提高功率因数，本章讲述的是该系统方案的选择和它的工作原理，对系统做了简要的介绍。

2.1方案选择

本次课题实现的主要功能有：

设计并制作一个100W高压恒流充电电源。

对全系列镍镉、镍氢等可充电电池进行大规模串接充电。

技术指标：

电源输入：

220V交流电，15V直流电，输出电压幅值可调节，以适应不同电池数量串联所需充电电压，两档充电电流选择，分别为40mA和200mA。

当接触不良造成回路不通而延误通电时，进行报警。

常用的芯片有TL494、LM358等，但和其他芯片相比LM358是一款可靠且成本低廉的功率因数校正芯片。

采用该芯片的突出优点有：

LM358内部包括有两个独立的、高增益、内部频率补偿的双运算放大器，适合于电源电压范围很宽的单电源使用，也适用于双电源工作模式，在推荐的工作条件下，电源电流与电源电压无关。

它的使用范围包括传感放大器、直流增益模块和其他所有可用单电源供电的使用运算放大器的场合。

系统的介绍

本充电机可对全系列镍镉、镍氢等可充电电池进行大规模充电。

该充电机一旦调定恒流值，被充电电池在数十节内任意变化时，其充电电流均保持不变。

开路时具有声音报警，输出短路时能自动保护。

若用1~7号通用电池夹，就成为一台更为方便的批量充电或封闭化的高精度恒流充电机。

开关电源的基本构成

一般地，开关电源大致由输入电路、变换器、控制电路、输出电路四个主体组成。

细致划分它包括：

输入滤波、输入整流、开关电路、采样、基准电源、比较放大、震荡器、V/F转换、基极驱动、输出整流、输出滤波电路等。

实际的开关电源还要有保护电路、功率因素校正电路、同步整流驱动电路及其它一些辅助电路等。

开关电源的基本结构框图如图2-1。

图2-1开关电源的基本框图

2.2.2开关电源的分类

开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可。

但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。

2.2.2.1DC/DC变换

DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。

其具体的电路由以下几类：

（1）Buck电路—降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。

（2）Boost电路—升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。

（3）Buck-Boost电路—降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。

（4）Cuk电路—降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压UI,极性相反，电容传输。

2.2.2.2AC/DC变换

AC/DC变换按电路的接线方式可分为半波电路、全波电路。

按电源相数可分为单项、三相、多相。

按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。

本课题是基于AC/DC变换的系统，系统组成有：

保护电路、抗电磁兼容性（EMC）干扰电路、整流电路和有源功率因数校正电路。

框图如图2-2所示。

图2-2系统结构框图

系统的原理

.1功率校正技术分类

功率因数校正PFC（PowerFactorCorrection）分为有源功率因数校正和无源功率因数校正。

功率因数校正是十几年电源技术进步的重大领域，它的基本原理就是从电路上采取措施，使电源输入电流实现正弦波，并与输入电压保持同相位，正弦化是使其谐波为零，两波形同相位，就实现了功率因数PF=1的重要目标。

本次课题也是以有源功率因数校正技术为核心设计的。

无源功率因数校正技术是采用体积庞大的电感、电容滤波器来提高功率因数，它难以实现功率因数PF=1.0的单位功率因数校正。

无源功率因数校正技术分为以下三类：

一是早期的无源PFC，电网输入端先串联笨重的大电感器、大电容器LC；二是改进的无源PFC，在全波整流器之后再串接C-L-C滤波网络。

在整流桥之后先串接高频小电容，在电感器之后再串接低频大电容器，它可用于镇流器、中小功率电源；三是新型的无源PFC，在全波整流器之后串接多个二极管与电容器组合D-C网络，它又称为“填谷式”PFC电路。

.2功率因数校正的基本原理

功率因数校正电路基本上是一个AC／DC变换器。

一个标准的变换器利用脉冲宽度调制（PulseWidthModulation,PWM）方式来调整输入功率的大小，以供应负载所需的功率，脉冲宽度调制控制切换开关（通常利用PowerMOSFET来实现）将直流输入电压切成一串电压脉冲波，随后利用储能电感和快速二极管将其转成平滑的直流电压输出，这个输出电压随即与一个参考电压（这个电压是电源供应器输出的标准电压值）进行比较，所产生的电压差反馈至PWM控制器，利用这个误差电压信号来改变脉冲宽度的大小。

如果输出电压过高，脉冲宽度会减小，进而使输出电压降低，以使输出电压恢复为正常输出值。

PFC中加入一个更为先进的元件，使得来自交流电电源的电流是一个正弦波并与交流电压同相位，此时误差电压信号的调制由整流后的交流电压和输出电压的变化来控制，最后误差电压信号反馈至PWM控制器。

当交流电压较高时PFC电路就从交流电源吸取较多的功率；反之，若交流电压较低，则吸取较少的功率，如此可以减少交流电流谐波的产生。

图2-3是经典的PFC电路框图。

图2-3经典PFC电路框图

.3有源功率因数校正主电路拓扑

有源功率因数校正大部分是指高频有源功率因数校正技术，即高频开关脉冲控制的有源器件PFC电路。

它主要由四部分组成：

一是Boost储能电感，二是整流二极管，三是功率开关管MOSFET，四是集成电路控制系统。

有源功率因数校正的控制模式

高频有源功率因数校正技术是抑制电网交流输入电流污染的最佳方法。

按Boost储能电感器电流是否连续，高频有源功率因数校正技术主要的基本控制模式有：

一是连续导通模式（CCM）；二是断续导通模式（DCM）；三是临界导通模式（CRM）。

.1连续导通模式（CCM）

Boost储能电感器工作在连续导通状态，储能电感器L的电流就是输入电流，因模拟乘法器引入一个输入电流反馈控制环（电流传感），电感器电流被采样并受控，使其峰值幅度与输入电压同相位的正弦波参考信号成正比，以实现PFC。

如图2-4所示。

另外反馈输出电压信号调节稳定直流输出，乘法器式PFC电路根据输出电压反馈信号，利用一个乘法器电路来控制电路来控制正弦参考电流信号，从而获得可调整的输出电压，电压值通常为+400V。

有关乘法器型PFC技术的控制方式可分为3种：

电流峰值控制、电流滞环控制以及平均电流控制。

图2-4乘法器控制PFC框图

（1）电流峰值控制方式是开关管在恒定的时钟周期内导通，当输入电流上升到基准电流时，开关管关断。

取样电流来自开关电流或电感电流。

（2）电流滞环控制方式的工作时：

开关导通，电感电流上升，当上升到上限阀值，滞环比较器输出低电平；开关管关断，电感电流下降，当下降到下限阀值，滞环比较器输出高电平。

如此周而复始地工作，其中取样电流来自电感电流。

（3）平均电流控制方式的工作示意图如图2-5所示。

平均电流控制将电感电流信号与锯齿信号相加。

当两信号之和超过基准电流时，开关管关断，而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。

图2-5平均电流控制方式电路图

.2断续导通模式（DCM）

当Boost变换器工作在断续导通状态（DCM），用电压跟随方法实现PFC。

如图2-6所示，图中Boost变换器工作在断续导通状态，开关S由输出电压反馈误差信号控制。

开关频率不变，开关周期为常数。

因电感器电流峰值和平均值正比于交流输入电压，故输入电流波形自然会跟随输入电压呈现正弦波形。

因此，可以省掉输入电流控制环电路。

图2-6电压跟随器控制PFC框图

.3临界导通模式（CRM）

如图2-7所示Vref是乘法器的输出信号，此信号被送到比较器的一个输入端，另一个输入端则连接到电流波形。

当功率开关接通时，电感电流斜升，直到分路上的信号达到Vref的电平。

在此点上，比较器会改变状态并断开功率开关。

断开开关后，电流斜降直到降为零。

零电流检测电路测量电感两端的电压，当电流达到零时，它也会降到零。

在此点上，开关接通，电流再次斜升。

此工作方式称为临界导通模式。

图2-7CRM波形

它可将电感电流保持在连续和不连续导通的边界。

因为波形总是已知的，因此，平均和峰值电流之间的关系也是已知的。

对于三角波形，平均值就是峰值的一半。

这意味着平均电流信号位于参考电压一半的水平。

这类稳压器的频率随着线路和负载的变化而变化，在高线电压和轻负载时达到最大值，而且在线路周期中频率也会有所变化。

图2-8是该模式下的基本原理图。

图2-8临界导通模式转换器的基本原理

在本课题当中，采用的是变换器工作在连续导电模式下“乘法器”（Multiplier）型的临界导通模式控制方式。

CRM的主要优点是电流环路本质上是稳定的，而且不需要斜升电压补偿。

控制芯片廉价且便于设计、没有开关导通损耗、升压二极管的选择并非决定性的。

缺点：

频率变化，由于存在潜在的EM问题，需要一个设计精巧的输入滤波器。

本章小结

本章主要讲述的内容有方案的选择和系统的简单介绍及其工作原理，确定以MC33262为控制核心具有功率因数校正的整流电源电路设计。

对功率因数校正原理加以剖析，为下一步单元电路设计提供了理论基础。

第3章具有功率因数校正整流电源的单元电路设计

本课题的系统组成有：

保护电路、抗电磁兼容性（ElectroMagneticCompatibility，简称EMC）干扰电路、整流电路和有源功率因数校正（ActivePowerFactorCorrection，简称APFC）电路。

本章着重介绍该系统各单元电路的设计。

3.1系统单元电路的设计

3.1.1保护电路的设计

为了提高灯的可靠性和安全性，需要采取一些保护措施。

输入端的保护手段主要有过压保护和过流保护两种。

保护元件的放置如图3-1所示。

图中FU为保险丝，用作过电流保护；为避免交流输入端外界产生的电压尖峰对电源造成不利影响，采用金属氧化物压敏电阻，RV是氧化锌压敏电阻（在某特定的电压范围内，其电导随电压的增加而急剧增大的敏感元件），用作瞬态电压的抑制器，并接在交流输入端对瞬态电压进行抑制；采用负温度系数的热敏电阻（NTC）串联在交流输入端，RT是负温度系数热敏电阻（电阻的阻值随温度升高而下降），用作抑制接通电源瞬间的浪涌电流冲击，用以增加对交流线路的阻抗，把浪涌电流减小至安全值。

保护电路保证了系统安全的工作，出现故障不致烧坏其他元器件。

图3-1保护电路的示意图

3.1.2抗EMC干扰电路的设计

EMC直译是“电磁兼容性”。

意指设备所产生的电磁能量既不对其它设备产生干扰,也不受其他设备的电磁能量干扰的能力。

电磁能量的检测、抗电磁干扰性试验、检测结果的统计处理、电磁能量辐射抑制技术、雷电和地磁等自然电磁现象、电场磁场对人体的影响、电场强度的国际标准、电磁能量的传输途径、相关标准及限制等均包含在EMC之内。

理论和实践的研究表明，不管复杂系统还是简单装置，任何一个电磁干扰的发生必须具备三个基本条件：

首先应该具有骚扰源；其次有传播干扰能量的途径和通道；第三还必须有被干扰对象的响应。

在本电路中阻断是干扰能量的途径和通道。

如图3-2所示，CX1、CX2、CX3叫X电容，把差模干扰噪声旁路掉。

CY1、CY2也叫Y电容，用于抑制输电线继发的射频噪声。

R1、R2是X电容的泄放电阻。

交流输入电路与电感L和电容C组成的低通滤波网络相连，以抑制电网上来的电磁干扰。

同时还对本身产生的电磁干扰有抑制作用，以保证电网不受污染。

图中LF1为差模扼流线圈，LF2为共模扼流线圈，把串联电感LF1分成2部分串入相线和中线可尽量保证2线的阻抗平衡，防止由于阻抗不平衡引起新的干扰。

共模扼流圈由2个线圈对称绕制而成，其特点是对网侧工频电流呈现较低阻抗，但对流经的高频共模干扰而言，等效阻抗却很高。

图3-2抗EMC干扰电路工作示意图

抑制传导干扰的最有效和最经济的手段是滤波技术。

由于各种干扰在系统的接口处最为严重，所以滤波器均放在系统电源的入口处。

图3-2模型是本课题采用防止抗EMC干扰电路的设计。

3.1.3整流电路的设计

为得到直流电压需要经过整流电路得到直流电压。

本设计中采用桥式整流电路来输出直流电。

整流电路在工作时，电路中的四只二极管都是作为开关运用。

当正半周时，二极管D1、D3导通（D2、D4截止），输出的是方波的正半周；当负半周时，二极管D2、D4导通（D1、D3截止），输出的是方波的负半周；正负半周经合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。

在经过电感和电容滤去纹波电压，便可得到比较平滑的电压。

如图3-3所示。

整流电路采用4只二极管桥式整流，串联于EMC抗干扰电路和有源功率校正电路之间。

本课题做实物用于整流电路的整流桥型号是KBJ10。

图3-3整流电路示

3.1.4有源功率因数校正及其外围电路的设计

有源功率因数校正及其外围电路设计包括四个部分：

一是Boost储能电感，二是整流器二极管，三是功率开关管MOSFET，四是集成电路控制系统（有源功率因数校正芯片MC33262）。

3.1.4.1Boost储能电感

为使电源输入电流能保持与输入电压同相位、成比例，必须找到一种方法来防止该设备加载时，其电流不能按瞬时电网电压成比例地变化。

高频APFC电路中，使用一种Boost（升压）DC／DC变换器来完成这一任务。

变换器的输入是全波整流交流电网电压，由于在桥式整流之后没有紧接大电容滤波，所以升压变换器的输入电压脉动频率两倍于电网频率。

通过迫使升压变换器同时满足两个条件，就有可能确保变换器从电网流入的电流，能匹配瞬时的线电压：

（1）升压变换器的输出电压必须设得高于线电压的峰值，常用的值是DC285V，允许高线电压的有效值为AC270V；

（2）变换器在任何瞬间从电网中取得的电流，必须与电网电压成比例。

显然在本电路中满足这两个条件。

由于输出脉冲电压量化指标是400V，变换器的电感量通过计算的，需要手工缠制，市场没有销售。

该升压变换器的电感量需要计算。

电感L按下式计算：

（公式3-1）

式中：

T为开关脉冲周期。

当输入电网电压的范围为

时，T为

，此时：

高频APFC是抑制电网交流输入谐波电流污染的最佳方法。

它是通过相应的两个反馈控制电路，使输入电流平均值能自动跟随全波整流电压基准，并维持直流输出电压稳定。

APFC电流使变换器的输入