有源功率因数校正电路的设计.doc
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1、 第 III 页 有源功率因数校正电路的设计摘 要将交流220V电网电压经整流后再提供直流是现实单相电源应用中较为广泛的变流方案,由于传统的二极管或晶闸管整流器会对电网产生谐波电流而危害电网,引起输入端功率因数下降,对电网造成污染;因此有源功率因数校正(APFC)技术得到了迅速的发展.它是在桥式整流器与输出电容器之间加入一个功率因数校正变换电路,它将整流器的输入电流校正成为与电网电压同相位的正弦波,消除了谐波和无功电流,因而能将电网功率因数提高到近似为1.交流输入电压经桥式整流后,得到全波整流电压,经DC/DC变换后,再经过控制器使线路电流的平均值能自动跟随全波整流电压基准的变化,并获得稳压的
2、直流高电压输出,最终给负载提供直流电压源.本文通过对功率因数校正电路的现状与发展进行简单的介绍,然后讨论了什么是功率因数以及功率因数的计算、功率因数校正的原理、功率因数校正电路的种类、有源功率因数校正电路的原理以及元器件L6562的简单介绍;最后设计出基于L6562升压式有源功率因数校正电路.关键词:有源功率,升压式,L6562Active power factor correction circuit design Author:Wei DongLiang Tutor:Pang BaoTangAbstractWill ac 220 V power grid voltage after rec
3、tifying the to provide dc is one single phase power application in reality a wide range of variable current solution because the traditional thyristor rectifier diode or will to power produce harmonic current and harm power grid, cause the input power factor drops, to power cause pollution; So activ
4、e power factor correction (APFC) technology obtained a rapid development. It is in the bridge rectifiers and output capacitors to join a power transformation between circuit, it will become the input current correction rectifier voltage and the sine wave with phase, eliminate the harmonic and reacti
5、ve current, so the power grid power factor improvement to approximate to 1. Exchange the input voltage bridge rectifier, have the rectifier voltage wave, then the DC/DC transform, after controller make the average of the current line can automatically follow all the wave rectifier voltage change of
6、benchmark, and won the high voltage DC voltage output, eventually provide DC voltage source to load.This article through to power factor correction circuit of the current situation and development of simply introduced, and then discuss what the power factor and power factor of calculation, power fac
7、tor correction, the principle of the power factor correction circuit, the kinds of active power factor correction circuit principle and L6562 components of simple introduction; Finally designed based on L6562 booster type active power factor correction circuit. Keywords: Active power, Boost type, L6
8、562 目 录1 绪 论11.1背景课题及意义11.2功率因数校正的现状及发展2 1.2.1功率因数校正的现状2 1.2.2无桥PFC电路2 1.2.3软开关功率因数校正电路31.3论文主要安排32 设计原理42.1 功率因数42.2有源功率因数校正电路5 2.2.1有源功率因数校正电路的原理5 2.2.2有源功率因数校正电路的分类6 2.2.3 升压式有源功率因数校正电路的分析103.元器件的选择143.1 L6562简介143.2 L6562芯片电路图164.电路的设计174.1基于L6562的Boost-APFC电源电路174.2 Boost-APFC电感的设计18结论20致谢21参考文
9、献22黄河科技学院毕业设计说明书 第 23 页1 绪 论1.1背景课题及意义伴随着我国经济的发展,现代工业得到快速发展,各种各样的换电流设备使用越来越多、容量也越来越大,再加上一些非线性电设备也接入到电网,将其产生的谐波电流注入到电网中,使公用电网的电压波形发生畸变,严重地污染了电网的环境,造成电能质量下降,也严重地威胁着电网中各种电气设备的安全运行,因此必须限制高次谐波污染,国内外电气组织先后制定了相关标准,我国国家技术监督局1993年颁布GB/T14549-93电能质量公用电网谐波,国际电工委员会1998年也制定了IEC6100-3-2标准.目前常用的解决电力电子设备谐波污染问题的方法有两
10、种:1.对电网采用滤波补偿;2.对电力电子设备本身进行改造,即进行功率因数校正.两者相比较,功率因数校正能够更有效地消除整流装置的谐波,具有更广泛的前景,已经成为电力电子技术的一个重要的研究方向.谐波对电网的影响:1、 谐波会导致电源的有功功率降低,功率因数会降低,负载上的实际功率也会随着降低;2、 谐波会引起电磁干扰和射频干扰,导致一些精密电子设备(包括电子式电能表),不能正常工作,甚至会毁坏;3、 谐波将引起线路欧姆热 ,导致整流器过热效率下降 ,也会引起设备老化,缩短设备使用寿命,甚至损坏设备;4、 谐波电流的存在会引起电网电压的畸变,并可能引发振荡,引起电网和用电设备的安全; 5、谐波
11、将会引起继电保护装置误动或拒动,从而直接危及电网的安全运行;6、为了弥补谐波的存在造成的附加损耗,必须增加电器、导线等的容量,从而增加了 投资费用;为了减少谐波的污染,提高功率因数,设计基于L6562升压式有源功率因数校正电路,使功率因数大于0.95.1.2 功率因数校正的现状与发展1.2.1 功率因数校正的现状目前功率因数校正主要有两种方法:无源功率因数校正和有源功率因数校正.无源功率因数校正技术是指在整流电路中用LC滤波器来增大整流桥导通角,从而降低电流谐波来提高功率因数.无源功率因数校正达到的功率因数没有有源功率因数校正的高,但是比较简单,与有源功率因数校正相比比较经济,因而这种技术在中
12、小容量的电子设备中被广泛采用.有源功率因数校正是就是通过功率因数调节装置,使电网输入电流波形完全跟踪电网输入电压波形的变化,并且保持输入电流和电压波形同相位.有源功率因数校正有体积小、重量轻、功率因数可接近1等优点.无缘功率因数和有源功率因数有不同的优势,本文的技术要求比较高,因此本文主要针对有源功率因数校正进行论述.1.2.2 无桥PFC电路无桥PFC电路用单个的变换器代替传统的由四个二极管组成的前级整流桥升压式PFC电路,实现ACDC和PFC两个任务.这个电路实际上是一个双升压式电路.无桥是目前高性能功率因数校正电路研究的一个方向,图1.1为无桥PFC拓扑图. 图1.1无桥PFC电路 无桥
13、PFC电路有两种工作模式:1. 开关管S1和S2同时开通或关断.电压源有正半波和负半波组成,在电源的负半波,S2导通时,电源通过S2和S1的寄生二极管对电感LB充电,S2关断时,电感通过D2、RL和S1的寄生二极管放电,该电路变成一升压式电路.当电压源在正半波时,S1导通时,电源通过S1和S2的寄生二极管对电感LB充电,S1关断时,电感通过D1、RL和S2的寄生二极管放电,该电路变成另外一升压电路.在电源的负半波,S2导通时,电源通过S2和S1的寄生二极管对电感LB充电,S2关断,电感通过D2、RL和S1的寄生二极管放电,这是另一升压式电路.2.当工作模式是:在电源的正半波,S1高频工作,S2
14、则直通.电感LB,S1,D1和负载构成一个升压式电路.在电源的负半波,S2处于高频工作,S1处于直通.S2,D2和负载构成另一个升压式电路.第二种工作模式与第一种相比较模式控制较为简单.1.2.3 软开关功率因数校正电路改进大功率升压式电路的性能近几年在国内是比较热门的,主要集中在如何减少升压式boost电路中的二极管的反向恢复损耗和MOSFET的开通损耗,从而达到提高转换效率和减少电磁干扰的目的.升压式boost电路,输出电压总是比输入电压要大,假如输入电压为100270V时,则输出为370420V.在高频电力电子PFC电路中,功率二极管一般采用快恢复二极管,快恢复二极管是一种具有开关特性好
15、、反向恢复时间较短的半导体二极管,主要应用于开关电源、PWM脉宽调制器、变频器等电子电路中,作为高频整流二极管、续流二极管或阻尼二极管使用. 快恢复二极管的内部结构与普通PN结二极管不同,属于PIN结型二极管,即在P型硅材料与N型硅材料中间增加了基区I,构成PIN硅片.因基区很薄,反向恢复电荷很小,所以快恢复二极管的反向恢复时间较短,正向压降较低,耐压值较高.软开关功率因数校正电路有很多的拓扑电路,将存在的电路统一整理,并区分不同拓扑电路的优缺点,将是研究的方向.1.3论文主要安排本文首先分析了目前国家电网存在谐波,功率低等问题,及功率因数的现状及发展,在第二章中提出功率因数校正电路的原理及分
16、类,第三,四章介绍了元器件和提出技术指标,并最终设计出基于L6562升压式有源功率因数校正电路.2 设计原理2.1 功率因数功率因数(PF)是指交流输入有功功率(P)与输入视在功率(S)的比值. (2.1)(2.1)式中:U1:单位为伏特,表示电网电压有效值; :表示输入电流失真系数; Ims:单位为安培(A),表示为输入电流有效值; I1:单位为安培(A),表示输入基波电流有效值; :表示基波电流和基波电压之间的相移因数;由式子(2.1)可知功率因数也可以定义为输入电流失真系数()和基波电压与基波电流相移()的乘积,功率因数的高低跟、有关系,增大,可以提高功率因数.由式子(2.1)可知,PF
17、由电流失真系数和决定.当值低,则表示输入电流谐波分量大,将造成输入电流波形畸变,会对电网造成谐波污染.当低时,则表示用电气设备的无功功率大,设备利用率低,导线、变压器绕组损耗大.PF与总的谐波畸变率THD的关系如下: (2.2) (2.3) (2.4) (2.5) 有式子(2.5)可知,THD对功率因数的影响,THD越大,功率因数越低,THD越小,功率因数越高,提高功率因数可以通过减小THD来达到.功率因数校正技术分为无源和有源两种,无源功率因数校正的性能比较差,达不到很好的效果,本文技术要求是功率因数大于等于0.95,因此本文只针对有源功率因数校正APFC技术做探讨.有源功率因数校正APFC
18、技术的基本思想:将输入的交流进行全波整流,在整流电路与滤波电容之间加入DC/DC变换,通过适当控制使输入电流的波形自动跟随输入电压的波形,即使整流器的输出电流跟随它输出直流脉动电压波形,且要保持贮能电容电压稳定,从而实现稳压输出和单位功率因数输入.有源功率因数校正APFC技术,从其实现方法上来讲,就是通过功率因数调节装置,使电网输入电流波形完全跟踪电网输入电压波形的变化,并且保持输入电流和电压波形同相位,从而使得无论负载性质如何,从输入端看,负载取用的都是有用功率,是功率因数能够接近于1.由于APFC使得电网端的功率因数接近1,减小了输入电流,降低了配电输入线的损耗,消除了用电装置的谐波分量对
19、电网的污染,本身的工作会产生非线性,引起电网电压、电流畸变的电力电子装置,增加功率因数校正部分对电网带来的效益是明显的,但是用电器本身则会增大体积提高成本.2.2 有源功率因数校正电路2.2.1 有源功率因数校正电路的原理 有源功率因数校正主要是在整流滤波和DC/DC功率级之间串入一个有源PFC作为前置级,用于提高功率因数和实现DC/DC级输入的预稳,用作PFC电路的功率级基本上是升压型Boost变换器,它具有效率高、电路简单、适用电源功率高等优点.有源功率因数校正电路的思想为:选择输入电压作为参考信号,使得输入电流跟踪参考信号,实现输入电流的低频分量与输入电压为一个近似的同频同相的正弦波,以
20、提高功率因数和抑制谐波.有源功率因数校正电路原理图为图2.1.主电路由单相桥式整流器和DCDC变换器组成,包括电压误差放大器VA,基准电压,电流误差放大器CA,乘法器M及驱动器等部分,负载可以是开关电源,也可以为电器.图2.1 有源功率因数校正电路的原理主电路的输出电压Vo与基准电压比较后,再输入给VA,整流电压Vdc的检测值和VA的输出电压Vo信号共同加到乘法器M的输入端.M的输出作为电流反馈控制的基准信号,与开关电流iS检测值比较后,经过CA加到逻辑及驱动器上,用以控制开关VTr的通断,使输入电流ii与Vdc的波形基本一致,从而大大减少了电流谐波,提高了输入功率因数,从而保持了Vo的恒定.
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