CCMBOOST功率因数校正课设正文.docx

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CCMBOOST功率因数校正课设正文

摘  要  1

1设计任务及要求  2

1.1初始条件  2

1.2要求完成的主要任务  2

2功率校正的意义  2

2.1功率校正的原因  2

2.2AC／DC变换器输入电流的谐波分析及危害  3

3功率因数校正原理  4

3.1功率因数（PF）的定义  4

3.2PF与功率因数的关系  5

3.3有源功率因数校正方法分类  5

4有源功率因数校正的实现  7

4.1UC3854控制集成电路  7

4.1.2UC3854中的前馈作用  9

4.2UC3854的典型应用电路  11

4.3功率因数校正原理图  12

4.4主电路设计  12

4.4.1升压电感设计  12

4.4.2输出电容  13

4.4.3选择功率管MOSFET及续流二极管  13

5基于UC3854的MATLAB仿真  14

5.1仿真模型连接  14

5.2仿真结果  15

6小结与体会  16

参考文献  17

摘  要

本文设计了一种高功率因数、低电磁干扰的单级CCM-BOOST功率因数校正电路。

首先对有源功率因数校正电路进行了详细的分析。

基于对有源功率因数校正电路的双级式和单级式结构的特点比较，本文采用了单级式的电路结构。

选择Boost电路为有源功率因数校正电路的主电路，给出了Boost电路的组成并分析了它的工作过程。

在此基础上本文采用连续导电工作模式（CCM）和平均电流控制策略，并应用UC3854作为有源功率因数校正电路的控制芯片。

对UC3854芯片的工作原理及各引脚功能作了介绍，对相应的控制部分的控制输入、乘法器、电压环和电流环部分进行了详细的分析。

在上述对有源功率因数校正电路做了优化基础上，在输入电压为市电220V/50Hz条件下，对有源功率因数校正电路进行优化，输出400V直流电，并应用MATLAB软件进行了仿真计算。

仿真结果与理论设计比较，两者相当一致,表明了本文所做的工作的正确性。

关键词：

CCM-BOOST 功率校正 UC3854 MATLAB仿真

CCM-BOOST功率因数校正电路仿真

1设计任务及要求

1.1初始条件

输入交流电源：

单相220V，频率50Hz。

1.2要求完成的主要任务

1、基于CCM-BOOST方式实现功率因数校正，输入功率因数达到0.99。

2、输出直流电压：

400V，输出功率250W。

3、建立功率因数校正电路Matlab仿真模型或者saber模型。

4、进行仿真，得到交流侧输入电压电流波形。

2功率校正的意义

2.1功率校正的原因

电力电子装置的大量应用给电力系统注入了越来越多的谐波，使系统的功率

因数降低，造成电网供电质量下降，干扰周围电气设备正常运行，这一问题已引起人们极大的重视。

如何抑制这些谐波，改善供电质量己成为一个重要的研究课题。

在电力电子装置中，开关功率变换器的功率因数校正及控制就是该领域的一个重要方面。

目前，这一重要课题研究中，常用的是基于Boost电路的功率因数校正（PowerFactorCorrection）技术，本次课设设计了有源功率因数校正电路。

本章以AC／DC变换器为例，分析了普二极管整流电路产生谐波电流的原因及谐波电流的危害，引出了非正弦电路中谐波和功率因数的关系，介绍了抑制谐波和提高功率因数的途径，得出了本文提高AC／DC变换器输入端功率因数的策略及有源功率因数校正技术。

2.2AC／DC变换器输入电流的谐波分析及危害

传统的AC/DC电能变换器和开关电源，其输入电路普遍采用了图1.1所示的全桥二极管不控整流方式。

虽然不控整流器电路简单可靠，但它们会从电网中吸取高峰值电流，使输入端电流和交流电压均发生畸变。

大量电气设备自身的稳压电源，其前置级电路实际上是一个峰值检波器，高压电容滤波器上的充电电压使整流器的导通角减小3倍，电流脉冲变成了非正弦的窄脉冲，因而，如图1.2所示，在电网输入端产生了失真很大、时间很短、峰值很高的周期性尖峰电流。

输入电流中谐波的主要危害有：

1）使电容器的正常阻抗减小，造成电容器的负荷增大，甚至被烧毁。

2）使电子设备正常工作受到影响、对通讯设备产生信号干扰、继电保护装置发生误动作。

3）谐波倒流入电网，引起严重的谐波“污染”及母线上的电压畸变，干扰其它设备的正常运行。

4）谐波电流通过电机、变压器，将增大铁损，使电机、变压器铁芯过热，还会产生附加谐波转矩、机械振动等。

这些都严重影响电机的正常运行，缩短了它的使用寿命。

另外，严重的电流畸变使输入电流有效值变大，电流的集肤效应增强，

导致了电网中产生附加损耗。

3功率因数校正原理

3.1功率因数（PF）的定义

功率因数是电力系统的一个重要的技术数据。

功率因数是衡量电气设备效率高低的一个系数。

功率因数低，说明电路用于交变磁场转换的无功功率大，增加了线路供电损失，因此供电部门对用电单位的功率因数有一定的标准要求。

在交流电路中，电压与电流之间的相位差（Φ）的余弦叫做功率因数，用符号cosΦ表示，在数值上，功率因数（PF）是有功功率（P）和视在功率（S）的比值，即

式中cosφ——功率因数；   

P——有功功率，kW；    

S——视在功率，kV.A； 

U——用电设备的额定电压，V；

I——用电设备的运行电流有效值，A；

——用电设备电流基波电流，A；

——输入电流波形畸变因数。

所以功率因数可以定义为输入波形畸变因数（

）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。

由于常规整流装置常使用非线性器件（如可控硅、二极管），整流器件的导通角小于180o，从而产生大量谐波电流成份，而谐波电流成份不做功，只有基波电流成份做功。

所以相移因数（

）和波形畸变因数（

）相比，输入波形畸变因数（

）对供电线路功率因数（PF）的影响更大。

3.2PF与功率因数的关系

3.3有源功率因数校正方法分类

1．按电路结构分

（1）降压式：

因噪声大，滤波困难，功率开关管上电压应力大，控制驱动电平浮动，很少被采用。

（2）升/降压式：

需用二个功率开关管，有一个功率开关管的驱动控制信号浮动，电路复杂，较少采用。

（3）反激式：

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以下功率的应用场合。

（4）升压式（boost）：

简单电流型控制，PF值高，谐波失真小，效率高，但是输出电压高于输入电压，应用最为广泛。

它具有以下优点：

（1）电路中的电感L适用于电流型控制。

（2）由于升压型APFC的预调整作用在输出电容器C上保持高电压，所以电容器C体积小、储能大。

（3）在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数。

（4）输入电流连续，并且在APFC开关瞬间输入电流小，易于EMI滤波。

（5）升压电感L能阻止快速的电压、电流瞬变，提高了电路工作可靠性。

2．按输入电流的控制原理分

平均电流型：

工作频率固定，输入电流连续（CCM），波形如图1（a）所示。

这种控制方式的优点是：

（1）恒频控制。

（2）工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、EMI滤波器体积小。

（3）能抑制开关噪声。

（4）输入电流波形失真小。

主要缺点是：

（1）控制电路复杂。

（2）需用乘法器和除法器。

（3）需检测电感电流。

（4）需电流控制环路。

滞后电流型：

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，波形图如图1（b）所示。

峰值电流型：

工作频率变化，电流不连续（DCM），工作波形图如图1（c）所示。

DCM采用跟随器方法具有电路简单、易于实现的优点，但存在以下缺点：

（1）功率因数和输入电压Vin与输出电压VO的比值

有关。

即当Vin变化时，功率因数PF值也将发生变化，同时输入电流波形随

的加大而THD变大。

（2）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。

电压控制型。

工作频率固定，电流不连续，工作波形图如图1（d）所示。

图1输入电流波形图

4有源功率因数校正的实现

下面以常见的美国TI公司生产的APFC用集成电路UC3854介绍其性能特点、工作原理与典型应用电路。

4.1UC3854控制集成电路

4.1.1UC3854引脚功能

UC3854引脚功能如表3-1所示。

表3-1UC3854的引脚功能

引脚号

引脚符号

引脚功能

（1）

GND

接地端，器件内部电压均以此端电压为基准

（2）

PKLMT

峰值限定端，其阈值电压为零伏与芯片外检测电阻负端相连，可与芯片内接基准电压的电阻相连，使峰值电流比较器反向端电位补偿至零

（3）

CAout

电流误差放大器输出端，对输入总线电流进行检测，并向脉冲宽度调制器发出电流校正信号的宽带运放输出

（4）

Isense

电流检测信号接至电流放大器反向输入端，（4）引脚电压应高于-0.5V（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同相输入端

（6）

IAC

乘法器的前馈交流输入端，与B端相连，（6）引脚的设定电压为6V，通过外接电阻与整

（7）

VAout

误差电压放大器的输出电压，这个信号又与乘法器A端相连，但若低于1V乘法器便无输出

（8）

VRMS

前馈总线有效值电压端，与跟输入线电压有效值成正比的电阻相连时，可对线电压的变化进行补偿

（9）

VREF

基准电压输出端，可对外围电路提供10mA的驱动电流

（10）

ENA

允许比较器输入端，不用时与+5V电压相连

（11）

V检测

电压误差放大器反相输入端，在芯片外与反馈网络相连，或通过分压网络与功率因数校正器输出端相连

（12）

Rset

（12）端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

软启动端，与误差放大器同相端相连

（14）

CT

接对地电容器CT，作为振荡器的定时电容

（15）

Vcc

正电源阈值为10V～16V

（16）

GTDRV

PWM信号的图腾输出端，外接MOSFET管的栅极，该电压被钳位在15V

4.1.2UC3854中的前馈作用

UC3854的电路框图和内部工作框图如图2、图3所示。

在APFC电路中，整流桥后面的滤波电容器移到了整个电路的输出端（见图2、图4中的电解电容C），这是因为Vin应保持半正弦的波形，而Vout需要保持稳定。

从图3所示的UC3854工作框图中可以看到，它有一个乘法器和除法器，它的输出为

，而C为前馈电压VS的平方，之所以要除C是为了保证在高功率因数的条件下，使APFC的输入功率Pi不随输入电压Vin的变化而变化。

工作原理分析、推导如下：

乘法器的输出为

式中：

Km表示乘法器的增益因子。

Kin表示输入脉动电压缩小的比例因子。

电流控制环按照Vin和电流检测电阻Ro（参见图2）建立了Iin。

Ki表示Vin的衰减倍数

将式（3）代入式（4）后有

如果PF=1效率η=1有

由（6）可知：

当Ve固定时，Pi、Po将随V2in的变化而变化。

而如果利用除法器，将Vin除以一个

可见在保证提高功率因数的前提下，Ve恒定情况下，Pi、Po不随Vin的变化而变化。

即通过输入电压前馈技术和乘法器、除法器后，可以使控制电路的环路增益不受输入电压Vin变化的影响，容易实现全输入电压范围内的正常工作，并可使整个电路具有良好的动态响应和负载调整特性。

在实际应用中需要加以注意：

前馈电压中任何100Hz纹波进入乘法器都会和电压误差放大器中的纹波叠加在一起，不但会增加波形失真，而且还会影响功率因数的提高。

前馈电路中前馈电容Cf（图2、图4中的Cf）的取值大小也会影响功率因数。

如果Cf太小，则功率因数会降低，而Cf过大，前馈延迟又较大。

当电网电压变化剧烈时，会造成输出电压的过冲或欠冲，所以Cf的取值应折中考虑。

4.2UC3854的典型应用电路

原理图如图4所示。

图4UC3854的典型应用电路

4.3功率因数校正原理图

基于CCM-BOOST功率因数校正电路设计包括主电路设计和控制电路的设计。

主电路主要包括工频整流桥、输入电感、开关管、续流二极管、输出滤波电容等。

控制电路主要是PWM电流控制芯片UC3854集成电路。

功率因数校正原理图如图5所示：

图5功率因数校正原理图

4.4主电路设计

4.4.1升压电感设计

电感将决定在输入侧高频纹波电流的大小，且它的值与纹波电流的大小有关。

电感值由输入侧的交流电流峰值来决定。

由于最大的峰值电流出现在线电压为最小值,负载最大时,所以有：

最大峰值线路电流

（

时）为：

，其中

为输入电压最小值，取180V。

纹波电流△I按下式计算，峰-峰值纹波电流通常选择在最大峰值电流的20%左右即有：

低电网线路电压时经整流的峰值电压

则在

时的占空因数

则升压电感器的电感

开关频率

，故取

4.4.2输出电容

输出电容器电容

的典型值一般按每瓦l～2

确定。

记

为维持时间（秒），

是最小输出电容器电压，则

=68ms,

取

4.4.3选择功率管MOSFET及续流二极管

对于MOSFET，为了使管子有较宽的工作区，将按照电路可能工作的最严

重情况选择额定参数。

输入电压为

，

，功率管额定电流

通常考虑两倍裕量，故管子的额定电流值取为1.5A。

对于续流二极管，二极管额定电流

同样考虑两倍的额定裕量，则取二极管的额定电流值为3.3A。

根据上述额定电压，额定电流要求，可选择相应功率开关管APT10026L2LL型MOSFET管，其额定指标为38A/1000V和二极管。

5基于UC3854的MATLAB仿真

5.1仿真模型连接

MATLAB仿真模型如图6所示：

图6MATLAB仿真模型

5.2仿真结果

交流侧输入电流波形如图7所示：

图7输入电流波形

图8输入电压波形

6小结与体会

本次课设是设计CCM-BOOST功率因数校正电路，电力电子装置的大量应用给电力系统注入了越来越多的谐波，使系统的功率因数降低，造成电网供电质量下降，这一问题已引起人们极大的重视，目前有效的办法就是使用功率校正电路对功率因数进行校正。

在分析了不同功率校正电路的优缺点后我选择了CCM-BOOST功率校正电路，以UC3854为核心的控制芯片，并且对主电路的相关参数进行了计算，最终用MATLAB搭建仿真模型，得到输入电流和输入电压波形，从仿真结果可以看出，运用功率因数校正电路确实使功率因数得到了提高。

实践表明，在合理配置电路参数的情况下，不仅获得了稳定的直流输出，而且实现了功率因数校正。

通过本次课设，不仅使我重新温故了理论知识，也使我学到了许多新知识，同时让我进一步掌握了MATLAB的运用，对我今后的学习和工作有很大的促进作用。

而且在这次课设中我也认识到了自己的一些不足之处，需要及时的改正，使自己能够不断进步。

参考文献

[1]王兆安、黄俊.电力电子技术.机械工业出版社（第四版），2004

[2]侯云海、薛鹏、王辉、卢秀和.新式电感型非线性阻抗变换整流电路.通信电源技术,2004年6月25日第21卷第3期

[3]刘跟平、汤永德、王国君、侯云海.基于电感非线性阻抗变换的一种新型高效整流电路.长春工业大学学报（自然科学版）,2008年7月第28期增刊

[4]路秋生.功率因数校正技术与应用.机械工业出版社，2006.2

[5]杨荫福、段善旭、朝泽云.电力电子装置及系统.清华大学出版社，2006.9

[6]周志敏、周纪海编著．开关电源实用技术．北京：

人民邮电出版社．2003