毕业论文《具有PFC功能的环保型开关电源设计》

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1、景德镇陶瓷学院本科生毕业设计（论文）中文题目： 具有 PFC 功能的环保型开关电源的设计英文题目： DESIGN OF ENVIRONMENT FRIENDLY SWITCHING THE POWER SUPPLY WITH PFC FUNCTION 院 系： 机械电子工程学院 专 业： 07 自动化 姓 名： 学 号： 200710320208 指导教师： 完成时间： 2011-5-31 摘 要 本文介绍一种新颖的功率因数校正方案，并详细地介绍了与PFC相关的知识，通过分析得出了一些实用的解析表达式 并给出了一个设计实例目前，PFC应用于各种不同的领域，其中电网的谐波污染以及输入端功率因数低

2、等问题显得日益突出。这些设备的内部需要一个将交流电转化为直流的电源部分。在这个转换过程中，由于一些非线性元件的存在，导致输入的交流电压虽然是正弦的，但输入的交流电流却严重畸变，包含大量谐波。而谐波的存在，不但降低了输入电路的功率因数，而且对公共电力系统产生污染，造成电路故障。采用现代高频功率变换技术的功率因数校正PFC技术是解决谐波污染最有效的手段。在本文中采用了UC3854作为控制芯片，进行功率因数校正。功率因数校正的目的，就是采用一定的控制方法，使电源的输入电流跟踪输入电压，功率因数接近为1。关键词：功率因数 UC3854 开关电源 ABSTRACT This paper describe

3、s a novel power factor correction programs anddetailed description of relevant knowledge with the PFC obtained byanalyzing a number of useful analytical expressions and gives a designexample at present PFC used in a variety of differentthe areas in whichthe grid harmonic pollution and low input powe

4、r factor issues becomeincreasingly prominent.Internal needs of these devices into a DC to ACpower section.In the conversion process due to the presence of somenonlinear components leading to the input sinusoidal AC voltage thoughbut the input AC current is a serious distortion including a large numb

5、erof harmonics.The presence of harmonics not only reduces the input circuitof the power factor and the pollution of public power system resultingin circuit failure.The use of modern high-frequency power conversiontechnology power factor correction PFC technology is the solution themost effective mea

6、ns of harmonic pollution.UC3854 used in this articleas a control chip the power factor correction.The purpose of power factorcorrection is the use of some control methods to make the power supplyinput current track the input voltage power factor close to 1.Key words: power factor UC3854 Switching Po

7、wer Supply 目 录1. 引言. 1 1.1. 线性电源和开关电源和开关电源介绍 . 1 1.2. 开关稳压电源的发展、动态及趋势 . 32. 开关电源的总体设计方案和性能提高方法. 6 2.1. 系统设计方案 . 6 2.2. 功率因数校正技术 . 6 2.3. 软开关技术 . 11 2.4. 本章小结 . 143. 功率因数校正（PFC）器设计. 15 3.1. 单相有源功率因数校正原理 . 15 3.2. UC3854 介绍. 17 3.3. APFC 控制电路设计. 20 3.4. APFC 主电路参数设计. 224. DC/DC 变换器 . 25 4.1. 主电路设计 . 2

8、5 4.2. 控制电路设计 . 29 4.3. 本章小结 . 345. 辅助电路设计. 35 5.1. 辅助电源设计 . 35 5.2. 保护电路设计 . 36结 论. 38致 谢. 39参 考 文 献. 40附 录. 41 1. 引言1.1. 线性电源和开关电源和开关电源介绍1.1.1.研究意义 电力电子技术是重要的支撑科技。当今世界关键性的科技领域有七个方面：能源、环保、资讯、通信、生命科学、材料和交通，每一领域无一不和电力电子技术有关，电力电子技术都在各个科技领域都起着重要作用，而电源是其中的一个重要方面。电源是对公用电网或某种电能进行变换和控制，并向各种用电负载提供优质电能的供电设备。

9、电源是一切电子设备的动力心脏，其性能的优劣直接关系到整个系统的安全性和可靠性指标，本文采用 UC3854 芯片作为控制芯片来进行功率因数校正，增强电磁干扰能力、限制输入电流谐波超标、提高开关电源的可靠性。1.1.2. 线性稳压电源简介 图 在开关电源出现之前一般使用线性稳压电源， 1-1 是一般线性电源的结构原理示意图。 图 1-1 一般线性稳压电源原理示意图 如图 1-1 所示，一般线性电源是将 220V/50Hz 交流电压经变压器变为合适的电压后，再经过整流和滤波电路处理，得到一个直流电压，再经过取样、比较及基准电路的反馈处理后，最终得到一个的纹波较小的直流电压。一般的线性稳压电源能够提供

10、需要的满足纹波精度要求的稳定直流电压，但是有以下问题需要解决： （1）其电源的体积较大，因此要实现小型化比较困难； （2）其调整管的功耗较大，只能达到 3040的效率。 （3）滤波电感的容量要求大，增加了体积和成本。 对于以上问题原因分析如下： （1）因使用体积大、重量重的工频变压器，而工频变压器一般只能达到8090的效率，所以线性稳压电源的整体效率难以提高。 （2）我们知道，功率调整管的输出电流与其功耗成正比，而线性稳压电源的功率管持续工作在其特性曲线的线性区域，因此随着电源功率的增大功率管的能耗也将增大，调整管的发热会非常厉害，不得不在调整管上增加散热片，这样既增加了电源功耗又增加了体积。

11、 （3）由于工作频率处于 50Hz 的低频，线性稳压电源就需要使用大容量的滤波电容来降低直流输出中的纹波峰值电压。 基于线性稳压电源的以上缺点，再加上世界能源出现短缺，人们对环境保护意识的不断增强，于是开始研制新的节能高效稳压电源。体积小、重量轻、效率 高的开关电源的出现满足了这一需要，并随着半导体技术的进步和集成度的不断提高，开关电源技术得到了快速的发展和在工程实践中的应用，已经逐步替代了线性稳压电源。 开关电源的基本原理介绍 如图 1-2 所示，开关电源采用了功率开关管，在电路中开关管按一定的频率处于开通和关断两种状态的不断切换中，通过由取样、放大、比较和基准电路组成的反馈电路控制开关状态

12、来实现稳压。 1-2 开关电源的基本结构框图 与线性稳压电源的电路原理相比，开关电源使用了半导体器件作为功率开关管，让功率管处于开和关的不断切换中，开关电源稳压是通过调整功率开关管的占空比达到稳压和变压的目的。50Hz 的电网电压直接经过整流滤波电路变为直流电压，再通过 DC-DC 开关变换电路变为需要的直流电压范围，并通过反馈电路实现电路的稳压。以下是开关电源的主要优点：（1）由于没有采用工频变压器的笨重设计，同时开关管也省去了散热器，因此开关电源的体积较小，重量较轻。（2）功率开关管周期性地导通和截止，工作的频率大大提高，这样开关电源的功耗明显降低，效率大幅提升到 80以上。（3）开关电源

13、的工作频率一般为 20KHz 以上，比线性电源的频率大大提高，滤波的效率大幅提升，因此滤波电容就不再需要大容量，这样电容的体积减小。一般来讲，开关电源的电容容量只需要线性电源的千分之一。（4）当电网电压大幅波动时，开关电源能够通过反馈电路来调整开关管的占空比从而调节输出电压，有调频和调宽两种方式实现补偿，因此能够输出稳定的直流电压，所以开关稳压电源的稳压范围宽，能够达到很好的稳压效果。（5）有多种电路拓扑方式供选择，比如：按激励方式有自激和他激，按端口分有单端和双端，按是否隔离有隔离和非隔离，按调整方式有调频和调宽。1.2. 开关稳压电源的发展、动态及趋势1.2.1. 开关电源的发展及国内外动

14、态 美国人罗耶在 1955 年发明了自激震荡晶体管单变压器的推挽 DC-DC 变换器，开始了开关电源的实际应用研究。查赛在 1957 年发明了自激推挽双变压器变换器。美国人在 1964 年正式提出没有工频变压器的开关稳压电源的思路，并在 1969 年成功研制了 25KHz 的开关变换器电源。 最初研制的开关稳压电源实际上是基于硬开关技术。在上世纪 60 年代中期美国科学家已经成功研制了 20KHz 的直流变换器并得到应用。开关电源技术在70 年代初期已经在发达国家得到了广泛应用。但是，这些早期的开关电源器件都采用分立元件，并且是非标准的。从 1977 年开始，出现了电源控制电路的集成化。英国科

15、学家在 80 年代初应用集成电路成功研制了 48V 输出的电源。 从上世纪 70 年代开始，开关电源的研究人员已经认识到了硬开关的不足，并开始对软开关技术进行研究。 全谐振变换器技术（Resonant Converters，也叫谐振变换器）是在 70 年代最先出现的工作模式。此技术采用频率调整，受负载影响大，谐振元件在谐振过程中一直处于谐振状态。根据谐振方式，可分为串联 Series Resonant ConvertersSRCs）和并联（Parallel Resonant ConvertersPRCs）两类。 在 80 年代中期出现了准谐振（Quasi-resonant Converters

16、QRCs）和多谐振变换器技术（Muti-resonant ConvertersMRCs）。这两种模式也采用了频率调制，其谐振元件没有全过程参与能量变换，而只是在部分阶段。所以，这两种模式是软开关技术的重大突破。 零开关变换器技术（Zero Switching PWM Converters）是在 80 年代末期发明的，可以分为零电压和零电流两类，其电路采用了 PWM 技术，谐振元件实际工作时间只有 1/10-1/15 的开关周期。 零转换技术（Zero Transition Converters）出现于 90 年代初，包括零电压和零电流两种转换模式。这种变换器也是采用 PWM 技术，辅助电路工作

17、时间很短，并达到了软开关的目的，功率损耗小，是软开关技术又一次重大进步。 到了 21 世纪，人们已经开始关注绿色环保的问题，开关电源的节能和低污染成为研究的重要课题。因而产生了功率因数校正（PFC）技术，并得到了广泛应用。近年来，开关电源的高频化成为研究的主要方向，对于小功率的开关电源，频率从 200KHz 已经提高到了 1MKHz。R.A.Fisher 在 1988 年应用全桥移相技术研制了 250W、500KHz 的直流变换器；浙大 David M.Xu 在 2000 年研制了 5KW、100KHz 的全桥直流变换器，采用了 ZCT 技术，其电源效率达到了 96；张军明等在 2004 年做

18、出了 2.8KW、200KHz 的全桥直流变换器，采用 ZVS 技术。对于 1MHz 及更高的频率，目前的开关电源的功率只能达到 1000W 以内，主要是由于频率升高会产生一些难题。1.2.2. 开关电源的主要发展趋势 开关变换器的主要发展趋势如下： （1）频率高、体积小、重量轻 向高频化发展是开关电源未来的方向。通过提高开关电源的频率，就能够减小电路中的电感和电容的容量和体积，同时降低重量，这样就实现了开关电源的小型化。同时频率的进一步提高又能够改善电路的动态性能，并且能够抑制电路干扰。 （2）提高电路的可靠性 由于集成化和小型化，使开关变换器的元器件数量比传统电源大大减少，这样就提高了电路

19、的可靠性。一般来讲，电路中的大电容、耦合器件和风扇等往往决定了开关电路的使用寿命，所以我们要在设计的过程中尽量少使用元器件，并且提高电路的集成度，这样电路将大大简化，同时电路的可靠性和使用寿命也得到提高。 （3）降低电路的噪声 随着开关电源频率的不断提高，工作中的噪声也会增大，所以我们必须采取措施来降低电源的噪声，比如部分谐振转换回路电路等。所以低噪声将成为开关电源的发展方向之一。 （4）电路中的计算机辅助设计技术和控制技?酢褂?CDD 和 CAA 电路设计技术来优化电路的拓扑结构和参数，达到结构和工况的最优。同时，可以在开关电源中使用极端及检测控制电路，实现实时检测和监控。 本文主要研究内容

20、1 介绍论文的研究背景和意义，开关电源的国内外发展现状；2 系统分析各种功率因数校正的基本工作原理和特点；3 重点分析有源功率因数校正的原理和控制方法；4 从理论上分析和研究了 UC3854控制的 APFC 电路的原理和应用本文研究的主要目的是：1经过熟悉和比较功率因数校正的不同方案和拓扑，了解国内外功率因数校正的发展动向，确定本课题要所采用的主电路拓扑2学习 UC3854，掌握其主要功能，并能熟练应用3设计主电路以及控制电路4完成联调，搭建实验平台5完成实验，并进行结果分析。 2. 开关电源的总体设计方案和性能提高方法2.1. 系统设计方案 本设计主要由市电输入、电网滤波、整流桥、PFC 电

21、路、等组成。输入整流电路将交流电通过整流模块变换成含有脉动成分的直流电，然后通过 PFC 电路将脉动的直流电变为较平滑的直流电，同时，使网侧电流、电压同相位。电流呈现为正弦波，达到提高功率因数的作用。如图2-1为系统设计框图。 EMI 电路 整流滤波 功率变换 整流滤波 输 出 输入过欠压 PFC PMW 稳压 取 保护 单元 单元 控制器 环路 样 短路保护 限流保护 输出过压保护 图1-2开关电源原理方框图2.2. 功率因数校正技术 近年来，迅猛发展的电力电子技术使大量的直流开关电源更加广泛的应用在计算机、通讯设备、电力系统等众多领域，老式笨重、低效的电源被众多轻巧、高性能的新型电源所取代

22、。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全桥二极管整流，输出端接到大容量电容器滤波器。虽然整流器电路简单可靠，但它们会在电网中吸取高峰值电流，使输入端的交流电流波形发生畸变，产生谐波，导致功率因数比较低。许多先进国家已经明文规定单台机器入网的最低功率因数限制，以提高电网供电质量，节约能源。2.2.1. 谐波的产生及防范措施 目前，在广泛应用的电力电子设备中，整流装置所占的比例很大，常用的整流电源大部分采用晶闸管相控整流或二极管不控整流方式。其中，电容滤波式不控整流器的输入电流基波分量与电源电压相位大体相同，但是输入电流的谐波含量很高，这样就会给电网带来很大的谐波污染，使

23、得功率因数较低。单相不控整流加电容滤波方式，输入电流 THD（总谐波失真）高达100，三相不控整流的 THD 也高达60。电流型整流器的输入电流为方波，会带来电压的尖峰和缺口，对电网产生严重的谐波干扰。这些谐波的存在给电力电子设备的应用和性能带来了极大的影响。 解决谐波问题的主要思路有两种，一种是被动的方式，即在电网侧对己经产生的谐波进行补偿。另一种是主动的方式，即对产生谐波的电力电子装置的拓扑结构和控制策略进行改进，使其产生较少甚至不产生谐波，使得输入电流和输入电压同相，达到提高功率因数的目的。2.2.2. 谐波补偿和功率因数校正概念的提出 在过去的几十年中，为了补偿由电力电子设备带来的无功

24、功率和谐波，已经提出了很多方法，大体上可以分为无源补偿和有源补偿两种方式7。功率因数校正技术大致可分为无源和有源两类： （1）无源 PFC：对于早期的无源 PFC，电网输入端先串联笨重的大电感器、大电容。而之后产生的改进的无源 PFC，在全波整流器之后再串接 C-L-C 滤波网络，它可用于镇流器和中小功率电源中。新型的无源 PFC 是在全波整流器之后串接多个二极管与电容器组合的 D-C 网络。这种功率因数校正方式又被称为“填谷式”PFC 电路，它主要是在二极管整流桥前面串接一个电感和电容组成的滤波器，可以使得整流桥中二极管的导通角增大，从而使得电流波形得到明显改善。?庵治拊吹墓室蚴缏方峁辜虻煽

25、俊?无源补偿的基本原理是利用电容器提供的超前无功电流补偿电网的滞后无功，利用电感、电容构成的各次谐波滤波器、陷波器，吸收电网基波频率以外 的谐波。有关无源滤波器的研究己趋于熟，在实际系统中已经得到广泛的应用。 但是，无源滤波器也存在明显的缺陷。主要表现为电容器对无功的补偿是固定 的，对负载变化的适应性差。无源滤波器尤其是低次谐波滤波器的体积和重量 都相当可观。并且容易和系统发生谐振，使得滤波器过载甚至烧毁。 （2）有源 PFC：低频有源 PFC 主要指大功能晶闸管电路。高频有源 PFC 是 基于 Boost 变换器的 PFC 电路。另外还有其他 PFC 新技术如软开关 PFC、三电 平 PFC

26、、磁放大器 PFC 技术等。 高频有源功率因数校正技术是抑制电网交流输入谐波电流污染最佳的方 法。它通过相应的一个或者两个反馈控制电路，使输入电流平均值能自动跟随 全波整流电压基准，并维持支流输出电压稳定。PFC 电路使变换器的输入电流 与输入电压波形均为正弦波形，并把两者校正为相同相位，它的作用可以看成 把变换器电路当作一个纯电阻器，故也称为“电阻仿真器”。有源功率因数校正 技术主要有： （1）乘法控制 PFC 技术 典型的乘法器控制 PFC 电路框图如图2-2所示。图中的 Boost 变换器工作在连续导状态，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（电流传感

27、器），电感器电流被采样并控制，使其峰值幅度与输入电压同相位的正弦参考信号成正比，从而实现功率因数校正的目的。另外，反馈输入电压信号调节稳定直流输出，当输入电压220V 时候，直流输出电压值通常为400V 左右。 图 2-2 乘法器控制 PFC 电路框图 典型的乘法器控制 PFC 电路框图如图 2-2 所示。图中的 Boost 变换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（电流传感器），电感器电流被采样并控制，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，从而实现功率因数校正的目的。另外，反馈输入电压信号调节稳定直流输出，当输入电压

28、220V 时候，直流输出电压值通常为 400V 左右。 （2）电压跟随控制 PFC 技术 电压跟随器控制 PFC 电路框图如图 2.2 所示，其中 Boost 变换器工作在不连续导通状态，开关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正弦波形式，因此可以省掉输入电流控制环电路。 图 2-3 电压跟随器控制 PFC 电路框图 功率因数校正技术是在整流电路和主开关电路中插人功率因数校正电路，使其按一定的斩控频率通断，以维持网侧电流的连续性，并按正弦规律变化。如图2-4 所示，功率因数校正技术的关键就是强制电流按照电压的正弦规律变化而变化，从而达到提高功率因数目的。图中 Vin 是电源电压，IL 是电源电流。 图 2-4 应用功率因数校正的电压电流波形2.2.3. 功率因数校正电路的缺点和解决办法 功率因数校正电路虽然可以解决输入电流谐波大且功率因数低的问题，但是校正电路自身功耗的存在却降低了电源的效率。因为功率因数校正电路中很.