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课题名称：单相PWM整流电路 设计报告 单相PWM整流电路 摘要 有源功率因数校正技术因能提高电力电子装置网侧功率因数,降低线路损耗,节约能源,减少电网谐波污染,提高电网供电质量等优点,在许多行业中得到广泛的应用。本系统采用有源功率因数校正方法，对BOOST主电路拓扑结构的升压电路的输入电流进行控制，使其达到与输入电压同频且相位差接近于0，功率因数接近于1，从而实现高功率因数电源。系统采用UCC28019作为控制芯片，提高了电源的功率因数，具有良好的电压调整率和负载调整率，输入电流波形失真度小于1%，功率因数大于0.98，效率接近于93.9%，且采用MCU对整个系统进行监测，可测量输出功率、功率因数以及可设置输出电压等功能。系统在设计时从布局布线和滤波等方面消除电磁干扰，能够实现输出电压、电流、功率因数的测量及中文显示功能。 关键词：有源功率因数校正；AC-DC转换；UCC28019；BOOST电路
一、 设计方案比较与选择 1、整流滤波模块 方案一：半波整流电路。半波整流电路简单，易于理解，如图1所示。但是半波整流只利用了交流电压的半个周期，所以输出电压低，交流分量大，效率低。 图 1 半波整流示意图 方案二：全桥整流电路。全桥整流电路是通过四个二极管组成桥式整流电路，利用二极管的单向导电性整流。如图二所示，在负载电阻上正负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。
方案选定：相比较半波整流电路而言，桥式整流电路具有稳定性好，效率高等优点，因此选择方案二作为整流方案。 2、升压模块 方案一：采用UC3854控制的功率因数校正。该方案采用当前应用最为广泛的升压式Boost电路拓扑，一般情况下都采用电流连续型控制。UC3854N/AN/BN系列是常用的控制芯片，利用它可以将PF提高到0.99以上，然而在实际中却常常存在如输出电压飘升、尖端失真功率管击穿等问题。 方案二：采用UCC28019控制功率因数校正,UCC28019是一款8引脚的连续导电模式控制器，只需要外接少量元件就可做到PFC调整器。采用专门的PFC电路能从根本上消除谐波源。该器件具有较高的输入范围，可利用平均电流控制模式使输入电流波形畸变较低，使外围电路电路网络变得简单，它还具有输入欠压保护，输出过压保护，过流保护，软启动及过载保护等。但其电路调试麻烦。 方案选定：对以上方案比较，方案一和方案二都能达到试题要求，但方案二外围电路比较简单，容易实现试题要求，且稳定性比方案一更好。所以我们选择方案二。 3、功率因数控制模块 在开关电源中大容量的滤波电容是导致输入电流畸变引起功率因数降低的主要原因。使输入电流正弦化，并与输入电压同相位，可提高输入电源的功率因数，简称功率因数校正，功率因数校正有两种控制方法。 方案一：采用无源功率因数校正，无源功率因数校正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，但无源功率因数校正的功率因数不是很高，只能达到0.7～0.8。 方案二：采用有源功率因数校正，主要控制输入电流呈正弦波变化，且与输入电压之间的相位差尽可能接近为0，即功率因数接近为1。按照输入电流的控制，有源功率因数校正有以下几种方法：（1）平均电流型：工作频率固定，输入电流连续。（2）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。（3）峰值电流型：工作频率变化，电流不连续。（4）电压控制型：工作频率固定，电流不连续。 方案选定：本系统选用的是有源平均电流型控制，该控制方式有以下优点：（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。 4、过流保护模块 方案一：采用主电路串联保险丝的方法进行过流保护。此方法看似简单，但是实际操作中发现部分保险丝质量不是很好，动作时间较慢，容易出现误保护，不保护的情况。且更换保险丝较为麻烦，顾不采用此方案。 方案二：采用单片机控制继电器的方法实现电路的过流保护。让单片机的AD口采总路电流，当电流超过2.5A时，控制继电器切断电路。 方案选定：方案二用单片机控制，精度较高，可调性好，断电保护后根据需要可以很快恢复供电，使用方便。过流保护电路采用方案二作为主电路。 二、 理论分析与计算 1、提高效率的方法 （1）整流二极及续流二极管用快恢复低消耗的肖特基二极管代替； （2）开关管采用电阻小，流过电流大的IRF064； （3）采用UCC28019作为控制环路芯片； （4）采用阻值小的取样电阻。 2、功率因素调整方法 主电路的输出直流电压信号Vout和基准电压Vr比较后，送入电压误差放大器VEA，得到Vcomp引脚电压，该电压决定了GMI网络的增益和PWM比较器的参考三角波的斜率。输入电流经采样电阻转化为电压信号，电压信号经放大器放大送入GMI网络以实现输入平均电流的采样，得到的信号与三角波进行比较得到特定占空比的PWM波。特定占空比的PWM波保持输出电压稳定。UCC28091的控制框图如图3所示。 图3 UCC28019的控制框图 3、稳压控制方法 利用UCC28019的电压反馈电路进行稳压电路 三、 核心部件电路与程序设计 1、主回路与器件选择 由题可知，主电路采用Boost主电路结构，主电路如图4所示，交流220V输入，R1为采样电阻阻值为0.1欧，整流桥采用四个肖特基二极管搭成，取样电阻R5检测电感中的流过的电流。辅电路图中隔离变压器选择输入220V、50Hz输出双12V的隔离变压器。 根据设计要求：输出电压 ，电流 ，Us=22V，设系统效率为 0.95，功率因数为0.99。 图4 主电路电路图 因此输入电流有效值为 峰值电流为 纹波电流为 最大纹波电压为 （1）升压电感值 电感峰值电流为 ， ， 取0.2mH. （2）开关管的选择 电路工作频率为65kHz，故电感的参数为0.2mH，最大电流6A。开关管要求工作在65kHz，导通电阻要小。基于上述要求，本设计采用 , , 的MOSEFT管IRF064。此MOSEFT管完全满足设计要求。 （3）续流二极管的选择 由于本电路采用BOOST拓扑结构，因此续流二极管的选择非常重要。在电路中受输出大电容的影响，续流二极管应满足最大整流电流大于12A，最大反向电压大于72V，受储能电感及开关管的影响，续流二极管的反向恢复时间要尽量小。鉴于此要求，本设计采用肖特基二极管作为续流二极管，它的反向恢复时间完全达到设计要求，实际使用效果不错。 （4）电感电流采样电阻 实际采用康铜丝做采样电阻，阻值为0.1Ω左右。 （5）输出滤波电容 实际取3个耐压为50V的2200uf电解电容并联，可有效降低电容的等效串联电阻。 2、控制电路与控制程序 （1）控制电路: PFC控制电路采用TI公司的专用PFC芯片UCC28019，作为整个校正系统的控制器。UCC28019为持续传导模式的PFC控制器，锯齿波振荡频率为65k，输出方波最高占空比为97%，内带5V的电压基准，推挽式输出的驱动电压可达12.5V，电流达1.5A。具有电源输入软启动保护，以及反馈电压欠压，过压锁存，和峰值电流限制，此外还设有电压，电流反馈补偿端。校正后的功率因数可达0.99以上，特别适用于BOOST升压电路，输入电压范围宽，输出功率大。控制电路12V电压供电，R6和C5对输入电压值进行滤波，R6采用220Ω的电阻，C7取1000pF，C4是电流环的补偿电容，取值1000pF，C6输入电压采样后的滤波电容，取值0.47uF，C9，C10，R11为电压环的补偿环节，R8取值30k，C10取值10uF，C9取值0.47uF,R9,R12都为最大阻值200k的滑动变阻器。 （2）控制程序： 系统软件设计分为两大部分，包括输出检测及显示；功率因数检测。设计流程如图5所示。 图5 软件设计的流程图 3、保护电路 本系统要求有过流保护功能，输出电流为2.5A时电路自动保护。鉴于此要求采UCC28019芯片内部的封锁功能，电流经过采样，放大比较后经UCC28019的VINS（引脚4）检测是否大于2.5A。 四、 测试方案与测试结果 1、测试仪器 （50Ω/2A）可调滑线变阻器，五位半数字万用表，数字式单相电参数测量仪。 2、测试方案及测试条件 电路的测试既要考虑测试的全面客观，又要考虑测量的操作难度，使测量简单准确的进行。电路的测试按照题目要求逐条测试，先测量基本要求，接着测量发挥部分。 测试对测试条件要求不高，主AC-DC回路采用市电220V交流电供电。电路的电气参数的测量采用数字式单相电参数测量仪，数字式单相电参数测量仪能测参数多，测量精度高，使用较为方便。 3、测试结果及其完整性 （1）负载调整率测试 负载采用200Ω/3A可调滑线变阻器，待系统进入额定状态（输入电压保 持恒定24V不变）时，调节滑线变阻器，改变输出电流，用UT39A数字万用表监测输出负载电压。具体数据如表1所示。 表 1 负载调整率测试表 由上表可根据以下公式求得负载调整率： ×100%=0.3% （2）电压调整率测试 采用50Ω/2A可调滑线变阻器作负载，待系统进入额定状态（输出电流为2A）时，改变输入电压，用五位半数字万用表监测输出负载电压。记录电压数据如表2所示。 表 2 电压调整率测试表 根据相关公式可计算出电压调整率 （3）输入功率因数测试 负载采用50Ω/2A可调滑线变阻器，使系统达到额定状态，用数字式单相电参数测量仪测功率功率因数。记录因数测试数据如表3所示。 表 3 输入功率因数测试 4、测试结果分析 经测试该电路能有效的提高电源的效率，但由于在电路工作时，交流电经桥式整流后并不能得到很平滑的波形，仍存在一定的误差。而UCC28019内部工作原理是：电流调节为平均电流采样模式，跟踪电压波形的电流波形经滤波放大后与三角波比较，所以整流后失真电压波形引起纹波误差，这个误差将导致输出PWM波误差。若芯片在设计上能将此误差考虑在内，设计效果会更佳。 五、 作品元件清单及成本分析 制作完作品共计184元，秉承着节约和精益求精的初衷，我们从采购元器件、测试元器件到焊接元器件都十分小心谨慎，并无不需要的浪费。元器件如下表。 参考文献 [1]谢维成,杨家国.单片机原理与应用及C51程序设计. 清华大学出版社,2009.7： [2]康华光,陈大钦,张林.模拟电子技术基础.北京:高等教育出版社,2012,3 [3]周志敏,周纪海,纪爱华.开关电源功率因数校正电路设计与应用.北京：人民邮电出版社,2004,11 [4]郭天祥,51单片机C语言教程.北京:电子工业出版社,2009,1 [5]王保民,车军.升压型开关电源的研究与设计[J].仪表技术,2008,12:73-75. [6]梁启文.一款DC-DC升压开关电源的设计[J].自动化技术与应用,2008,04:123-125. [7]邢玉秀,唐宏昊,程达.一种数字可调的升压型开关电源的设计与实现[J].国外电子元器件,2008,09:59-61. [8]张海瑞.一种低输入DC-DC升压型开关电源的设计[D].武汉科技大学,2011. [9]闫之峰,马晓军,冯亮.升压电源软开关电路仿真研究[J].装甲兵工程学院学报,2006,04:60-63+67. [10]靳丽,戴永军,李惺,钱耀国.基于UCC2808的推挽式升压型开关电源设计[J]. 电源世界,2013,02:21-24. [11]方佩敏.升压式开关稳压电源的制作[J].电子制作,1999,08:18-19. [12]任笑慧.微功耗升压式开关电源MIC2141[J].今日电子,2001,09:19-24. [13]侯士彦.开关电源中的单相准谐振升压变换器[J].电信工程技术与标准化,1995,02:49-54. [14]杨兆选.小型升压开关稳压电源[J].电子技术,1989,09:44-45.
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2021-09-29
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