PFC的单相桥式整流及逆变电源设计――PFC整流电路部分
目 录
1 绪论 1
1.1 课题背景及现实意义 1
1.2 功率因数校正技术的发展概述 2
1.3 功率因数校正技术的发展前景 3
1.4 课题研究内容 3
2 整流电源的总体方案设计 3
2.1 总体技术指标 3
2.2 系统结构图 4
2.3 Boost PFC控制电路的拓扑结构方案 4
2.4 PFC电路的电流控制环的分析和设计方案 5
2.5 PFC电路的电压控制环分析和设计方案 7
2.6 本章小结 10
3 硬件设计与实现 10
3.1 功率因数校正芯片UC3854引脚及功能 10
3.2 系统主电路的设计 12
3.3 系统控制电路的设计 16
3.4 本章小结 22
4 Boost型PFC电路的仿真 22
4.1 主电路Simulink模型及仿真结果 22
4.2 PFC电路仿真模型和仿真结果分析 24
4.3 本章小结 28
总结 29
致谢 30
参考文献 31
附录 硬件系统原理图 32
1 绪论
1.1 课题背景及现实意义
更多新型的电力电子设备伴随电力电子技术的发展与电网运行结为一体,相空和不可控的整流桥在多数情况下总是存在于它们的输出端。谐波产生的电流会导致供电线路产生过高的热量,出现电磁干扰现象。同时，产生的谐波在通信技术的发展下还会进一步影响供电系统。由于滤波器和工频变压器的体积和质量十分大，电源的效率在调整管的功率消耗较大的情况下会减小很多， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
过载能力较差，大多数情况下在50%以下。谐波比例很大会导致零线电流,不能够完全保证开关电源的供电稳定。为了提高功率因数并且降低谐波损害,不得不采取有效的措施来解决这个问题。
谐波的主要危害：
(1)正弦波的畸变出现在阻抗的压降过程中，无法满足电力电子设备处于正常工作状态。
(2)电机损耗过大导致附加谐波转矩的产生，严重破坏了电机的正常运转。谐波电流会严重抬高灯丝的工作温度，使灯丝的寿命大大缩短。
(3)谐波使得输电线路出现多种故障，导致中线电流过流而损坏，使设备产生损害。
(4)谐电场耦合和磁场耦合会出现在实际线路中造成波动。
(5)常规的测量仪器是在正弦电压电流波形的基础上进行工作的，在测量时必须保证精度。但是在非正弦量工作时，附加误差的产生会使测量精度的准确度达不到测试的要求 。
当今，有两条方法可以大致解决谐波污染的问题:
（1）合理使用谐波补偿装置补偿谐波
（2）进一步改造电力电子装置满足功率因数达到工作状态下的要求。
现今情况下生产的新型电力电子装置基本上采取了第二种思路：加入功率因数校正器。
功率因数校正器原理：首先，将DC/DC开关变换器接到整流器与负载。然后，在输入端保证电流波形近似于正弦波，有效降低输入端的谐波畸变率。最终，达到成功提高功率因数的效果。
电源的在电网正常工作的供电质量好坏中一个重要的指标就是功率因数的大小。大多数发达国家为了“绿色能源”革命，减小电力电子装置制造厂家入电网装置的电流谐波大小，制定IEC555-2，EN60555-2标准 。
综上所述，功率因数校正技术可以有效解决谐波危害。
1.2 功率因数校正技术的发展概述
1.2.1 功率因数校正技术的发展历程
无源网络的电路过大，抑制输入电流谐波的效果达不到预期效果，最早使用晶闸管结合解决这个问题。70年代左右，功率半导体器件的产生使得开关变换技术得到迅速发展。80年代左右加入了有源这个词汇。工作在高频状态时，变换器的优点：效率高，重量轻，体积小。多数情况下采用乘法器原作为控制原理，连续导电模式能够达到大功率转换能量。但连续导电模式控制电路达不到简易效果，不适合在功率容量200 以下的情况使用。80年代后期，产生了不连续导电模式，输入电流随着高输入电压和功率成正比关系增大。90年代至今，有源功率因数校正技术更是得到了突破性的发展，比如软开关技术和以及新的控制方法。
1.2.2 功率因数校正技术的分类
无源PFC技术主要使用二极管整流增大电感，电容和二极管数值。可以抑制电流脉冲，降低谐波含量。无源PFC技术的优点：控制易操作，效率高，可靠性强，价格便宜。同时，无源PFC技术大多数情况下增加的无源器件体积大，重量高，功率因数低。不能产生明显的谐波抑制效果，不能再所有的场合满足限制谐波标准要求。
有源PFC技术采用AC/DC变换，电网输入端的电流波形近似正弦波并保持同向。有源PFC技术采用的电路结构复杂是无可避免的。功率因数高，总谐波畸小，体积小，输出电压稳定性高是有源PFC技术的最大特点。
双级PFC由DC/DC变换器和升压PFC联系而成。DC/DC变换器的目的是实现降压隔离作用，升压PFC变换器的目标是实现功率因数校正。
单级PFC电路分析控制难度较大，适用于单一集中的场合。两者相比较之后，双级PFC技术的校正效果明显 。
1.3 功率因数校正技术的发展前景
功率因数校正技术(PFC)不断促进了整流电源的不断发展，发展前景具许多优点。比如：
(1)多功能化和智能化
(2)高频化
(3)电路弱电化和数字化。
随着PFC技术的不断发展，使其得到了更多的关注。PFC技术的趋势是成本低，结构简单，容易实现。
1.4 课题研究内容
本文研究基于PFC的单相桥式整流及逆变电源设计——PFC整流电路部分，设计出来的电源是可以有效提高功率因数，减小谐波的电源。
该课题要求收集课题相关资料,掌握PFC相关的理论知识、电力电子技术、Protel软件的使用，掌握相关集成芯片的原理及实际应用。完成硬件原理图设计，主电路功率器件参数的计算及选型，控制电路的设计，完成PCB设计，并使系统可靠性和实用性都比较强。技术指标：输入AC220 ，输出400 左右，功率因数可达0.9以上 。
2 整流电源的总体方案设计
2.1 总体技术指标
该整流电源要实现的技术指标如下：
(1)输入交流电压 ：220 (误差取10%,即 =220 =198≈200（ )， （ ））
(2)输出直流电压 :400
(3)输入频率 : （误差大小 1%）
图2-1 Boost有源功率因数校正原理图
2.3 Boost PFC控制电路的拓扑结构方案
Boost PFC电路同时具有整流和稳压功能。整流功能的目的是使输入功率因数为1，稳压功能的目的是让输出电压稳定。外环结构输出电压稳定性较高，内环结构输入电流进行整流，产生与输入电压同相位的标准正弦波。
, =0.5 , =0.15 , = , , ， =100
1 绪论 1
1.1 课题背景及现实意义 1
1.2 功率因数校正技术的发展概述 2
1.3 功率因数校正技术的发展前景 3
1.4 课题研究内容 3
2 整流电源的总体方案设计 3
2.1 总体技术指标 3
2.2 系统结构图 4
2.3 Boost PFC控制电路的拓扑结构方案 4
2.4 PFC电路的电流控制环的分析和设计方案 5
2.5 PFC电路的电压控制环分析和设计方案 7
2.6 本章小结 10
3 硬件设计与实现 10
3.1 功率因数校正芯片UC3854引脚及功能 10
3.2 系统主电路的设计 12
3.3 系统控制电路的设计 16
3.4 本章小结 22
4 Boost型PFC电路的仿真 22
4.1 主电路Simulink模型及仿真结果 22
4.2 PFC电路仿真模型和仿真结果分析 24
4.3 本章小结 28
总结 29
致谢 30
参考文献 31
附录 硬件系统原理图 32
1 绪论
1.1 课题背景及现实意义
更多新型的电力电子设备伴随电力电子技术的发展与电网运行结为一体,相空和不可控的整流桥在多数情况下总是存在于它们的输出端。谐波产生的电流会导致供电线路产生过高的热量,出现电磁干扰现象。同时，产生的谐波在通信技术的发展下还会进一步影响供电系统。由于滤波器和工频变压器的体积和质量十分大，电源的效率在调整管的功率消耗较大的情况下会减小很多， *好棒文|www.hbsrm.com +Q: %3^5`1^9`1^6^0`7^2#
过载能力较差，大多数情况下在50%以下。谐波比例很大会导致零线电流,不能够完全保证开关电源的供电稳定。为了提高功率因数并且降低谐波损害,不得不采取有效的措施来解决这个问题。
谐波的主要危害：
(1)正弦波的畸变出现在阻抗的压降过程中，无法满足电力电子设备处于正常工作状态。
(2)电机损耗过大导致附加谐波转矩的产生，严重破坏了电机的正常运转。谐波电流会严重抬高灯丝的工作温度，使灯丝的寿命大大缩短。
(3)谐波使得输电线路出现多种故障，导致中线电流过流而损坏，使设备产生损害。
(4)谐电场耦合和磁场耦合会出现在实际线路中造成波动。
(5)常规的测量仪器是在正弦电压电流波形的基础上进行工作的，在测量时必须保证精度。但是在非正弦量工作时，附加误差的产生会使测量精度的准确度达不到测试的要求 。
当今，有两条方法可以大致解决谐波污染的问题:
（1）合理使用谐波补偿装置补偿谐波
（2）进一步改造电力电子装置满足功率因数达到工作状态下的要求。
现今情况下生产的新型电力电子装置基本上采取了第二种思路：加入功率因数校正器。
功率因数校正器原理：首先，将DC/DC开关变换器接到整流器与负载。然后，在输入端保证电流波形近似于正弦波，有效降低输入端的谐波畸变率。最终，达到成功提高功率因数的效果。
电源的在电网正常工作的供电质量好坏中一个重要的指标就是功率因数的大小。大多数发达国家为了“绿色能源”革命，减小电力电子装置制造厂家入电网装置的电流谐波大小，制定IEC555-2，EN60555-2标准 。
综上所述，功率因数校正技术可以有效解决谐波危害。
1.2 功率因数校正技术的发展概述
1.2.1 功率因数校正技术的发展历程
无源网络的电路过大，抑制输入电流谐波的效果达不到预期效果，最早使用晶闸管结合解决这个问题。70年代左右，功率半导体器件的产生使得开关变换技术得到迅速发展。80年代左右加入了有源这个词汇。工作在高频状态时，变换器的优点：效率高，重量轻，体积小。多数情况下采用乘法器原作为控制原理，连续导电模式能够达到大功率转换能量。但连续导电模式控制电路达不到简易效果，不适合在功率容量200 以下的情况使用。80年代后期，产生了不连续导电模式，输入电流随着高输入电压和功率成正比关系增大。90年代至今，有源功率因数校正技术更是得到了突破性的发展，比如软开关技术和以及新的控制方法。
1.2.2 功率因数校正技术的分类
无源PFC技术主要使用二极管整流增大电感，电容和二极管数值。可以抑制电流脉冲，降低谐波含量。无源PFC技术的优点：控制易操作，效率高，可靠性强，价格便宜。同时，无源PFC技术大多数情况下增加的无源器件体积大，重量高，功率因数低。不能产生明显的谐波抑制效果，不能再所有的场合满足限制谐波标准要求。
有源PFC技术采用AC/DC变换，电网输入端的电流波形近似正弦波并保持同向。有源PFC技术采用的电路结构复杂是无可避免的。功率因数高，总谐波畸小，体积小，输出电压稳定性高是有源PFC技术的最大特点。
双级PFC由DC/DC变换器和升压PFC联系而成。DC/DC变换器的目的是实现降压隔离作用，升压PFC变换器的目标是实现功率因数校正。
单级PFC电路分析控制难度较大，适用于单一集中的场合。两者相比较之后，双级PFC技术的校正效果明显 。
1.3 功率因数校正技术的发展前景
功率因数校正技术(PFC)不断促进了整流电源的不断发展，发展前景具许多优点。比如：
(1)多功能化和智能化
(2)高频化
(3)电路弱电化和数字化。
随着PFC技术的不断发展，使其得到了更多的关注。PFC技术的趋势是成本低，结构简单，容易实现。
1.4 课题研究内容
本文研究基于PFC的单相桥式整流及逆变电源设计——PFC整流电路部分，设计出来的电源是可以有效提高功率因数，减小谐波的电源。
该课题要求收集课题相关资料,掌握PFC相关的理论知识、电力电子技术、Protel软件的使用，掌握相关集成芯片的原理及实际应用。完成硬件原理图设计，主电路功率器件参数的计算及选型，控制电路的设计，完成PCB设计，并使系统可靠性和实用性都比较强。技术指标：输入AC220 ，输出400 左右，功率因数可达0.9以上 。
2 整流电源的总体方案设计
2.1 总体技术指标
该整流电源要实现的技术指标如下：
(1)输入交流电压 ：220 (误差取10%,即 =220 =198≈200（ )， （ ））
(2)输出直流电压 :400
(3)输入频率 : （误差大小 1%）
图2-1 Boost有源功率因数校正原理图
2.3 Boost PFC控制电路的拓扑结构方案
Boost PFC电路同时具有整流和稳压功能。整流功能的目的是使输入功率因数为1，稳压功能的目的是让输出电压稳定。外环结构输出电压稳定性较高，内环结构输入电流进行整流，产生与输入电压同相位的标准正弦波。
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