有源功率因数校正电路毕业论文

安阳师范学院课程实践报告书现代电源——有源功率因数校正技术作者系（院）物理与电气工程学院专业电气工程及其自动化年级学号指导教师日期1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，L65622目录摘要..........................错误!未定义书签。1.功率因数校正的现状及发展......................31.1功率因数校正的现状.......................31.2无桥PFC电路.............................31.3软开关功率因数校正电路...................42.设计原理......................................42.1功率因数...................................42.2有源功率因数校正电路.......................62.2.1有源功率因数校正电路的原理.............62.2.2有源功率因数校正电路的分类.............73.元器件的选择.................................103.1L6562简介.................................103.2L6562芯片电路图...........................114.电路的设计...................................124.1基于L6562的BOOST-APFC电源电路............124.2BOOST-APFC电感的设计......................13结论...........................................14参考文献......................................1531.功率因数校正的现状与发展1.1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AC－DC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。2.4当工作模式是：在电源的正半波，S1高频工作，S2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。1.3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100－270V时，则输出为370－420V。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、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。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。1111coscosmsmsUICOSIPPFSUII（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；5I1：单位为安培（A），表示输入基波电流有效值；cos：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（cos）的乘积，功率因数的高低跟、cos有关系，增大，cos可以提高功率因数。由式子（2-1）可知，PF由电流失真系数和cos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cos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：1111121coscoscosmsmsnnVIIIPPFSVIII(2-2)221nnITHDI(2-3)122111()nnITHDI有(2-4)21cos1+(THD)PF即(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，6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DC—DC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7VTr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。2.2.2有源功率因数校正电路的分类有源功率因数校正电路按电流模式可以分为连续电流模式控制型与非连续电流模式控制型两类。其中，连续电流模式控制型主要有升压型（Boost）、降压型（Buck）、升降压型（Buck－Boost）三种；非连续电流模式控制型有正激型（Forward）、反激型（Flyback）两种；它们有不同的优缺点，通过对不同类型的分析，最后选择升压式做为重点研究对象，下面对上述电流模式的工作原理做简单的介绍。1、升压型PFC电路图2-2为升压型PFC主电路，工作过程主要分两种：1.开关管Q导通时，电流IL流过电感线圈L，电感线圈处于未饱和状态时，此时的电感开始以磁能的形式储存电能，电容放电给负载提供能量，图中的R为负载；2.开关管Q截止时，L自感电动势VL与电源VIN的电流方向相同，此时VL与电源VIN串联给电容以及负载供电。图2-2升压型PFC主电路该电路的优点是：（1）输入电流是指电感电流，操作上容易调节，在工作过程中处于连续的状态，在整个输入电压的正弦周期内都可以调制，可以得到很高的功率因数。（2）开关管栅极驱动信号地与输出共地，驱动起来比较简单；（3）开关管的电流峰值较小，对输入电压变化具有很强的适应性，适合用在电压变化比较大的电网场所。主要缺点：输出电压比较高，开关管对输出不能实现短路保护的功能。2、降压型PFC电路图2-3是降压型PFC电路，工作过程主要有两种：1.当开关管Q导通时，二极管D处于截止状态，电流IL流过电感线圈，电感线圈处于未饱和状态时，电流IL线性增加，8储存电能；2.当开关管Q关断时，L将会产生自感电动势，向电容和负载供电。因为变换器输出电压总是小于电源电压，故称为降压变换器。图2-3降压型PFC主电路该电路的主要优点是：开关管具有很弱的电压适应能力，假如后面的电路发生短路，可以起到一定的短路保护，该优点是升压式PFC没有的。该电路的主要缺点是：只有输人电压高于输出电压时，降压式PFC电路才能参加工作，在每个正弦周期中，该电路有一段因输人电压低而不能正常工作，输出电压较