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boost型功率因數(shù)校正電路及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用電子專業(yè)畢業(yè)設(shè)計(jì)畢業(yè)論文(參考版)

2025-01-21 12:53本頁(yè)面
  

【正文】 研究的步驟分三步:一、了解功率因數(shù)校正的基本原理型PFC電路的控制策略;二、掌握Boost型功率因數(shù)校正電路的工作原理及其典型控制策略;三、仿真分析平均電流型Boost功率因數(shù)校正電路。它在傳統(tǒng)的整流電路中加入有源開(kāi)關(guān),通過(guò)控制有源開(kāi)關(guān)的通、斷來(lái)強(qiáng)迫輸入電流跟隨輸入電壓變化,從而獲得接近正弦波的輸入電流和接近1的功率因數(shù)。開(kāi)關(guān)電源已成為電網(wǎng)最主要的諧波源之一。開(kāi)關(guān)電源多數(shù)是通過(guò)整流器與電力網(wǎng)相接,傳統(tǒng)的整流器是由二極管或晶閘管組成的一個(gè)非線性電路,在電網(wǎng)中會(huì)產(chǎn)生大量的電流諧波和無(wú)功功率而污染電網(wǎng),成為電力公害。隨著開(kāi)關(guān)電源的廣泛應(yīng)用,開(kāi)關(guān)電源PFC集成控制器顯示出強(qiáng)大的生命力,它具有集成度高、外圍電路簡(jiǎn)單和性能指標(biāo)優(yōu)良等特點(diǎn),現(xiàn)已成為開(kāi)發(fā)各類開(kāi)關(guān)電源及開(kāi)關(guān)電源模塊的優(yōu)選集成電路。開(kāi)關(guān)電源功率因數(shù)校正(Power Factor Correction,PFC)集成控制電路自20世紀(jì)90年代問(wèn)世以來(lái),引起了國(guó)內(nèi)外電源界的普遍關(guān)注,現(xiàn)已成為最具發(fā)展前景和影響力的一項(xiàng)高新技術(shù)產(chǎn)品。如何抑制這些諧波,改善供電質(zhì)量已成為一個(gè)重要的研究領(lǐng)域。電力電子裝置的大量應(yīng)用給電力系統(tǒng)注入了越來(lái)越多的諧波,使系統(tǒng)的率因數(shù)降低,造成電網(wǎng)供電質(zhì)量下降,干擾周圍電氣設(shè)備正常運(yùn)行。有源功率因數(shù)校正技術(shù)正是抑制諧波電流,提高用電效率的一項(xiàng)有力措施。感謝我的父母,是他們?cè)谖冶澈竽闹С种?,沒(méi)有他們,就沒(méi)有我的今天。在設(shè)計(jì)研究和論文寫作過(guò)程中,鄭老師都對(duì)我提出了許多中肯的意見(jiàn),使我順利的完成了畢業(yè)設(shè)計(jì)和論文整理工作對(duì)我這篇論文的完成起了很大的作用,十分感謝鄭老師。參考文獻(xiàn)1 鄭穎楠. 2 王兆安, (第四版).機(jī)械工業(yè)出版社,20043 侯云海,薛鵬,王輝,盧秀和. 新式電感型非線性阻抗變換整流電路. 通信電源技術(shù), 2004年6月25日第21卷第3期4 魏艷君. 電力電子電路仿真, 燕山大學(xué) 5 劉跟平、湯永德、王國(guó)君、侯云海. 基于電感非線性阻抗變換的一種(自然科學(xué)版), 2008年7月第28期增刊 6 路秋生. ,7 盧秀和、白羽、候云海、韓順杰. 非線性阻抗變換式斬波電路. 通信電源技術(shù), 2003年12月第6期8 侯云海,盧秀和,林潔瓊. 一種新型高效斬波電路. 長(zhǎng)春理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2003年12月第26卷第4期9 William shepherd,li zhang .powerconverter ,10 張占松,蔡宣三. 開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M] .北京電子工業(yè)出社,1999.11 Zheren Lai,Keyue .A New Extension of OneCycle Control and Its Application toSwitching Power Amplifiers IEEE RANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS,199612 劉建霞,王 芳,設(shè)計(jì). 中北大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2008年第29卷第5期 (總第121期)14 盧秀和,侯云海,白羽,張裊娜. 新式電容型非線性阻抗變換整流電路. 通信電源技術(shù),2004年2月25日第21卷第1期15 鐘家楨,董平,戈素真. 一種負(fù)阻抗變換器的特性研究及其應(yīng)用. 河北工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào), 1996年第4期第25卷16 . 吉林廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào),2007第2期總第80期17 Steven M. Sandler著.開(kāi)關(guān)電源仿真:Pspice和SPICE 3應(yīng)用.人民郵電出版社,2007.18 Josep M.Guerrero,Luis Garcia de Vicuna,Janme Miret,Jose Matas.Integral Control Technique for Onephase UPS Inverter.IEEE,200219 百度搜索資料:ORCAD PSPICE教程章及標(biāo)題 致謝本設(shè)計(jì)是在漆漢宏老師的指導(dǎo)下完成的。第四章我們仿真了平均電流型Boost功率因數(shù)校正電路,并通過(guò)仿真更加深刻理解了它。功率因數(shù)校正電路分為有源和無(wú)源功率因數(shù)校正電路,通過(guò)分析有源和無(wú)源的優(yōu)缺點(diǎn),我們選擇了有源率因數(shù)校正電路。XXI 結(jié)論本文首先介紹了為什么要研究功率因數(shù)校正電路,電力電子裝置的大量使用給電網(wǎng)帶來(lái)諧波和無(wú)功,造成電網(wǎng)的“污染”,解決這種污染的主要途徑之一是使用功率因數(shù)校正技術(shù),對(duì)于如何抑制和去除諧波和紋波的方式方法有很多,但想完全消除,是很難辦到的,我們只有將其控制在一個(gè)允許的范圍之內(nèi),不對(duì)環(huán)境和設(shè)備產(chǎn)生很大影響就達(dá)到了我們的目的。本章首先設(shè)計(jì)了一個(gè)Boost型功率因數(shù)校正實(shí)驗(yàn)電路的設(shè)計(jì),包括主電路元件參數(shù)設(shè)計(jì)、計(jì)算及選擇,并且對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了仿真分析,其結(jié)果表明設(shè)計(jì)的正確性,達(dá)到了技術(shù)指標(biāo)要求。當(dāng)電路中加入功率因數(shù)校正電路后,再經(jīng)過(guò)功率測(cè)試功率因數(shù),我們可以看到電路達(dá)到穩(wěn)態(tài)后,~1之間,同時(shí)測(cè)試電流的總諧波畸變因數(shù),它不會(huì)超過(guò)4%,矯正效果良好。電流參考電壓增益(E2的增益);,PER為20μs,PW=,鋸齒波為15v,R1=R2=10K,Rvf=174K,Cvf=,Rmo=Rc1=,Rcz=20K,Ccz=620pf,Ccp=62pf。仿真平臺(tái)采用PSpice工具,它是一種微機(jī)級(jí)電路模擬的標(biāo)準(zhǔn)軟件。根據(jù)以上模型的建立,將其更進(jìn)一步地通過(guò)電子元件來(lái)實(shí)現(xiàn),以運(yùn)算放大器和電阻電容來(lái)實(shí)現(xiàn)低通網(wǎng)絡(luò)。整個(gè)流程的動(dòng)作,可以看作是主要電流命令與電感電流感測(cè)電壓作相減的動(dòng)作,最后的PWM模型則維持不變,決定其占空比,完成內(nèi)外環(huán)路的控制動(dòng)作。電壓放大器網(wǎng)絡(luò)是個(gè)負(fù)增益形式的低通網(wǎng)絡(luò),其與整流后線電壓的分壓相乘,成為主要的電流信號(hào)。兩個(gè)極點(diǎn)中,一個(gè)為零,一個(gè)為高頻的極點(diǎn)可以去除高頻雜波。圖43 電壓控制環(huán)路模型 電流控制環(huán)路部分電流控制環(huán)路部分,即輸出電感電流iL經(jīng)由采樣電阻以電壓的形式進(jìn)入電流誤差放大器的反相端,而非反相端的信號(hào)為乘除法器的輸出電流Imo乘上一電阻Rmo,如圖44所示。 閉環(huán)仿真 電壓控制環(huán)路部分電壓控制環(huán)路部分,輸出電壓VO經(jīng)由分壓電阻進(jìn)入電壓誤差放大器的反相端,如圖43所示。由開(kāi)關(guān)管電壓電流波形可以看出開(kāi)關(guān)管基本實(shí)現(xiàn)了零電壓關(guān)斷和零電流開(kāi)通,這是由于無(wú)源軟開(kāi)關(guān)降低了開(kāi)關(guān)的電流變化率及電壓變換率。 (4—36)⑤電壓環(huán)穿越頻率: (4—37)⑥反饋電阻RVF:令電壓誤差放大器極點(diǎn)頻率 (4—38) 開(kāi)環(huán)電路仿真開(kāi)環(huán)仿真波形(,Lr取15μH,Cr取110nF,Cs取5nF,輸出電容C取2000μF):輸入電壓和電流負(fù)載端電壓驅(qū)動(dòng)信號(hào)和開(kāi)關(guān)管電壓電流波形上圖中波形有:電感Lr的電流(有正有負(fù),負(fù)為近似倒尖三角,然后為零,再上升后緩緩下降),開(kāi)關(guān)管電流(剛剛導(dǎo)通時(shí)刻從零上升到最大值,再下降至最小值然后平緩上升再降至零),和開(kāi)關(guān)管電壓。 (4—27) (4—28)②反饋電阻Rcz:電流誤差放大器中頻段增益為Rcz/Rcl,選Rcl=RMO=,則 (4—29) ③電流環(huán)穿越頻率: (4—30)④電容Ccz:令電流誤差放大器零點(diǎn)頻率,則 (4—31)⑤電容Ccp:令電流誤差放大器極點(diǎn)頻率則 (4—32)(2).電壓環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)①輸出紋波電壓: (4—33)②放大器的輸出紋波電壓和增益輸出紋波電壓必須衰減到電壓誤差放大器輸出所允許的紋波電壓。①電流誤差放大器在開(kāi)關(guān)頻率處的增益:電感電流下降的最大斜率為Uo/L,這時(shí)電感電流流過(guò)采樣電阻所產(chǎn)生的斜率也最大,即UoRS/L。Dl為15v穩(wěn)壓管,防止驅(qū)動(dòng)過(guò)壓擊穿開(kāi)關(guān)管。又乘法器的輸出電流不能大于振蕩器的充電電流,故 (4—25)本設(shè)計(jì)中開(kāi)關(guān)頻率為50kHz,則定時(shí)電容: (4—26)3 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)PWM輸出是圖騰柱式MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器信號(hào)。 (4—22)⑤RMO的選擇:乘法器的輸出電流IMO不能大于2IAC。 (4—14)取,計(jì)算得,選 (4—15)②計(jì)算濾波電容值%,%,因此諧波衰減值為 (4—16)截止頻率 (4—17)設(shè)置濾波器極點(diǎn)為15Hz (4—18) (4—19)利用以上參數(shù),求出該分壓電路的傳遞函數(shù)為: (4—20)③RVAC的選擇:按最大輸入交流電壓的峰值除以乘法器的最大輸入電流值來(lái)計(jì)算,乘法器的最大輸入電流為600uA。當(dāng)輸入在低電網(wǎng)線電壓時(shí)。這個(gè)結(jié)果是靠正比于輸入電壓有效值的前饋分壓電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的,如圖所示。(1)峰值電流過(guò)載值: 選 (4—10) (2)檢測(cè)電壓過(guò)載值: (4—11)(3)分壓電阻: (4—12)3 乘法器的設(shè)置(1).前饋分壓電路隨著輸入電壓有效值URMS的增加,系統(tǒng)增益按照URMS的平方增加,這將使電壓環(huán)的設(shè)計(jì)變得復(fù)雜。 (1)電路中電感電流的峰值最大值為 (4—8)(2)電流采樣電阻值為 (4—9)2 峰值電流限制當(dāng)輸入電流瞬時(shí)值超過(guò)最大電流時(shí),UC3854的峰值電流限制比較器動(dòng)作,使開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)。這一結(jié)果的實(shí)現(xiàn)是靠PWM開(kāi)關(guān)電路來(lái)完成的,電流誤差放大器的輸出電壓與三角波電壓在PWM比較器中比較后產(chǎn)生PWM觸發(fā)脈沖,驅(qū)動(dòng)MOSFET,脈寬調(diào)制的高頻開(kāi)關(guān)電流在升壓電感L的作用下全周期向負(fù)載提供能量。 圖41 控制電路圖 電路工作原理電路的工作原理如下:正比于輸入全波整流電壓的電流IAC和電壓誤差放大器的輸出電壓VVEA及前饋電壓VFF在乘法器中相乘,產(chǎn)生基準(zhǔn)電流信號(hào)IMO,IMO在電阻RMO口上產(chǎn)生的壓降具有與輸入整流電壓相同的波形,輸入電流Li通過(guò)電流采樣電阻Rs產(chǎn)生電流采樣電壓Us,它與RMO上的電壓相減后加在電流誤差放大器的輸入端。在電流調(diào)節(jié)器的作用下,輸入電流跟蹤輸入電壓呈正弦波形,且與輸入電壓同相。UC3854的內(nèi)部功能方框圖如下圖所示。它內(nèi)部包含有電壓誤差放大器、模擬乘法器/除法器、電流誤差放大器、恒頻脈寬調(diào)制器 (PWM)。它包含了平均電流型控制所需的全部功能,其特點(diǎn)是:;限制電網(wǎng)電流失真小于5%;采用恒頻控制??刂菩酒x用成本較低、校正效果明顯的UC3854控制器。 控制電路 控制電路的結(jié)構(gòu)通過(guò)前面對(duì)APFC常用控制方法的分析與比較可知,平均電流型控制因其具有THD和EMI小、對(duì)噪聲不敏感、開(kāi)關(guān)頻率固定等優(yōu)點(diǎn),在目前PFC中應(yīng)用最多。VDVDVD3的耐壓可按Uo和Uo波動(dòng)量的和來(lái)計(jì)算。開(kāi)關(guān)管MOSFET的開(kāi)關(guān)頻率fs為50KHz,Lr與Cr諧振,由上述主電路工作階段的分析可知,Lr和Cr諧振的諧振頻率必須是開(kāi)關(guān)頻率的幾倍,以4倍來(lái)計(jì)算,由諧振關(guān)系及,f=200KHz,。 Cr、Cs、Lr及VDVDVD3Cs的值一般小于10nf,而Cr的值是Cs的20倍以上。本設(shè)計(jì)中輸出二極管承受的最大直流電壓為480V。流過(guò)輸出電容器的總電流是開(kāi)關(guān)頻率紋波電流的有效值和線路電流的二次諧波;通常選擇壽命長(zhǎng),低漏阻、能耐較大紋波電流,且工作范圍較寬的鋁電解電容,并且耐壓的選擇應(yīng)留有充分余量,以避免超負(fù)荷工作。電感器的設(shè)計(jì)對(duì)發(fā)揮電路的特性、效率和作用,以及能否得到滿意的校正效果是至關(guān)重要的。 主電路參數(shù)設(shè)置本題目的技術(shù)指標(biāo):(1)額定輸出功率Po:1000W(2)交流輸入電壓范圍:160V AC~264V AC(3)電網(wǎng)頻率范圍:50177。本章主要介紹了Boost型功率因數(shù)校正電路的工作原理及其典型的幾種控制策略,對(duì)比各個(gè)電路的優(yōu)、缺點(diǎn),我們選擇平均電流型Boost型功率因數(shù)校正電路,并簡(jiǎn)單介紹了平均電流型Boost型功率因數(shù)校正電路所用到的控制的ICUC3854A。 在對(duì)UC3854A的各個(gè)端子的外電路進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí),必須充分考慮在該芯片中有三個(gè)端子需要附加肖特基二極管來(lái)進(jìn)行保護(hù):對(duì)于16GT DRV(門極驅(qū)動(dòng)端),需要一個(gè)額定電流為3安培的肖特基二極管來(lái)進(jìn)行保護(hù),以避免芯片受到高頻開(kāi)關(guān)器件所產(chǎn)
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