1、本科毕业论文（20 届）一种高效率单相 AC-DC 变换电路的设计所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 苏州大学本科生毕业设计（论文）- i -目 录前言 .2第 1 章 设计背景和要求 .3第 1.1 节 设计背景 .3第 1.2 节 设计要求 .3第 2 章 系统分析 .4第 2.1 节 主电路拓扑结构选择 .4第 2.2 节 实现方案 .4第 3 章 系统设计 .7第 3.1 节 Boost 电路原理 .7第 3.2 节 APFC 电路设计与参数计算 .8第 3.3 节 Buck 电路原理 .10第 3.4 节 降压电路设计与参数计算 .11
2、第 3.5 节 过流保护电路设计 .13第 4 章 系统测试 .14第 4.1 节 测试仪器 .14第 4.2 节 测试方法 .14第 4.3 节 测试过程及结果分析 .14结论 .16参考文献 .16致谢 .17附录 .18附录 1：PCB 图 .18附录 2：实物照片说明 .18附录 3：测试现场 .20苏州大学本科生毕业设计（论文）第 1 页一种高效率单相 AC-DC 变换电路的设计【摘要】：有源功率因数校正技术具有提高电力电子装置网侧功率因数，减少电网谐波污染，降低线路损耗，提高电网供电质量等优点。设计实现 2030VAC 输入，36VDC 输出，功率因素校正，过流保护等功能，具有较低
3、的电压调整率和负载调整率。电源系统由两级组成，前级采用 Boost APFC 电路结构，实现有源功率因数校正并将输入侧电压升高。后级采用 Buck 电路降压并稳压至 36VDC，在后级和负载之间有过流保护电路。测试结果显示电源系统成功将交流电转换为直流电，功率因数、电压调整率、负载调整率、过流保护等均符合设计要求。【关键词】：功率因数校正；电压调整率；负载调整率；过流保护Abstract : The technology of active power factor correction can improve the power factor of power electronic devi
4、ce,reduce the harmonic pollution,reduce the loss of line and improve the quality of power supply. Design proves the functions of 20 30VAC input, 36VDC output, power factor correction, over-current protection function.Design proves low voltage regulation and load regulation.The power supply system wa
5、s composed of two parts.The first part used the Boost-APFC circuit structure and realize active power factor correction,increase input voltage.The second part used a buck circuit reducing voltage and voltage to 36VDC.Between the second part and load,there is an over-current protection circuit.The te
6、st results showed that power supply system converted alternating current to direct current successfully.Power factor,voltage regulation rate,load regulation rate and over-current protection all met the design requirements.Key words:Power factor correction;Voltage regulation rate;Load regulation rate
7、;Over-current protection苏州大学本科生毕业设计（论文）第 2 页前言开关电源因其与传统线性电源相比具有体积小、效率高、重量轻、发热量低、工作性能稳定等优点而正逐渐取代传统工艺技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机和设备中。20 世纪 80 年代，计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成了计算机领域的电源换代。20 世纪 90 年代，开关电源在电子、电器设备、家电领域得到了广泛的应用和发展，开关电源技术全面进入快速发展期。功率因数校正技术的应用能有效的提高开关电源的功率因数，提高电源的利用率，减小开关电源给电网带来的谐波污染。在电路的单相 PFC 控制中，一般有两种
8、方法控制系统的功率变换。一种方法是电源单级转化，它将输入级的电流控制电路、输出电压调整电路以及可能需要的输入输出级隔离电路合成一个功率级；另一种方法是二级转化，一般在电源输入级控制输入电流波形，并提供一个第一级变换后形成的输出电压，将负载电压调整作为电源第二级，不同的功能通过不同的拓扑结构实现。目前，单相功率因数校正技术已经成为了一项成熟的电力电子技术。自 90 年代初起，有源功率因数校正技术（APFC）取得了较大的发展。1992 年以前的世界电气和电子工程师协会(IEEE)有关功率因数校正技术的报道不多。自 l992 年起，世界电气和电子工程师协会(IEEE)设立了单相功率因数校正专题，被看
9、作是单相有源功率因数校正技术发展的里程碑。这次会议上，这个专题的主要内容中，对于电压跟随型功率因数校正技术以及软开关功率因数校正技术的报道占了大部分。目前单项有源功率因数校正技术已经逐步趋向于成熟，主要应用的控制方法有：平均电流型控制，峰值电流型控制，电流滞环控制等。1994l995 年，IEEE 电力电子学专家会议上，软开关技术和功率因数校正技术相结合以提高功率因数校正电路性能的方法，是关于功率因数校正技术主要的报道内容之一。这些年以来，有关连续导电模式下功率因数校正的控制新方法的研究有很多，主要有单周期控制、滑模控制、模糊控制、神经网络控制、多电平整流技术、空间矢量调制、无差拍控制、滑模变
10、结构控制、基于鲁棒非线性大信号方法控制以及其它新控制方法。与此同时，也出现了一些新颖的功率因数校正的拓扑结构以及原理。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 3 页第 1 章 设计背景和要求第 1.1 节 设计背景随着开关电源技术的广泛使用，各种电力电子产品在电力系统、交通、工业及家庭生活中得到了广泛应用，给电网带来了非常严重的谐波污染。在含有 AC/DC 变换器的电力电子装置中，DC/DC 变换器或 DC/AC 变换器的供电电源一般是由交流市电经整流和大电容滤波后得到较为平直的直流电压。传统的整流器在运行时，网侧功率因数一般都为0.60.7 左右,并且会产生大量谐波电流,对电网造成严重危害。目前，
11、针对谐波的危害，从 1992 年起,国际上开始以立法的形式限制高次谐波。我国国家技术监督局在 1993 年颁布了国家标准 GBIT14549-93“电能质量公用电网谐波” 。国际电工委员会（IEC）也于1998 年针对谐波制定了相应标准。传统的整流器因谐波远远超标而面临着前所未有的挑战。第 1.2 节 设计要求本课题主要研究基于有源功率因数校正技术的 AC/DC 开关电源，完成系统方案设计、电路原理设计、电路元件参数选择设计。电源系统要实现输入 20V30V 交流电压，输出36V0.5V 直流电压，额定输出电流为 2A。电路能够实现功率因数校正，输入侧功率因数要达到 98%以上。另外，在电源系
12、统的末端，有过流保护电路，在输出电流达到 2.5A时，保护电路开始发挥作用，使输出电压迅速降低，实现过流保护的功能。电源系统对输出的电压有一定的稳定能力，输入电压不变（24V ） ，输出电流在一定范围内变化时（0.2A2.0A） ，负载调整率 ；输出电流不变（2A） ，输入电压在一定范围内变化%5.0时（20V30V）,电压调整率 。电源系统在额定电流点的电源转换效率不低于80%。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 4 页第 2 章 系统分析第 2.1 节 主电路拓扑结构选择本课题要求实现功率因数校正，输出直流稳压，且电源变换效率、稳压精度等要求较高，比较理想的设计方案是采用单级变换电路，同时实
13、现 APFC 与稳压功能。考虑输入电压和输出电压的变化范围，可以采用 Buck-Boost 或 Flyback 电路结构。但 Buck-Boost 电路在输入电压变化范围较大时难以在全范围内实现良好的电流波形校正，而输入输出电压的比例决定了 Flyback 变压器体积与漏感均会比较大。且单级 APFC 电路由于动态性能较差，在兼顾输入电流校正功能的情况下，难以实现输出直流电压高精度稳压。因此，以单级电路完成该课题的设计具有较高的技术难度和风险。从题目的具体要求分析，本项目拟采用两级电路结构，前级采用 Boost APFC 电路升压，后级采用 Buck 电路降压，这样的方案设计比较容易实现，各项
14、指标可以兼顾。缺点是效率难以达到很高，但通过电路的优化设计，实现超过 80%的效率仍有比较大的把握，整个电路的结构框架如图 2-1 所示。交流电压 U s输入A P F C电路降压电路负载滤波整流电路过流保护5 0 V 3 6 V电压反馈图 2-1 系统基本框架第 2.2 节 实现方案2.2.1. 功率因数校正功能的实现前级 Boost APFC 电路拟采用 MC33262 芯片控制，其工作原理如图 2-2 所示。1 脚是反馈电压输入端，用于 PWM 脉宽调制稳压。2 脚是软启动控制端，也是内部电压误差放大器输出端。3 脚是输入线电压取样端，内接乘法器输入端。4 脚是电感电流取样输入端，内接电
15、流误差放大器反相端。5 脚是零电流检测输入端，外接输入功率变换器二次侧。6 脚是内部控制电路接地端。7 脚控制驱动信号输出，外接 MOSFET 管栅极。8 脚是电源输入端，为内部控制电路供电。MC33262 是有源功率因数控制器，它作为前置变换器用于电子镇流器和脱机功率变换器中。该电路运行在电感电流临界连续模式下，控制输入电流跟踪输入电压，实现功率因数校正。这种集成电路的特点是有独立工作时的内部启苏州大学本科生毕业设计（论文）第 5 页动定时器，功率因数接近 1 的单象限乘法器，保证临界传导工作的零电流检测器，高增益误差放大器，强化启动的快速启动电路，调定的内部带隙基准电压源，电流传感比较器，
16、特别适用于 MOSFET 的推挽输出。MC33262 之所以能成为有源功率因数控制芯片，就是靠这个功率因数接近 1 的单象限乘法器。器件还具有下列保护功能：过电压比较器，以避免由于负载移去而使输出电压失去控制。有滞后的输入欠电压锁定电路，有乘法器输出钳位电路，以限制最大峰值电流。有记录单脉冲的 RS 锁存器，有保护 MOSFET 栅极的驱动输出高态钳位电路。具体的 Boost APFC 电路可以参见第 3 章，第 3.2 节。图 2-2 MC33262 内部电路图2.2.2. 后级 Buck 稳压控制的实现考虑到脉冲变压器在较高占空比时设计困难，因此采用双管并联斩波控制的变形Buck 电路。利
17、用双端 PWM 控制芯片 SG3525A，每个输出端控制一个开关管，每个开关管的最大占空比不超过 50%，有利于脉冲变压器的设计。双管合成控制后，输出斩波的占空比可以在接近 0%100%范围内变化，满足调压控制的需要。SG3525 是电流控制型PWM 控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。如图 2-3 所示，
18、是 SG3525 芯片的内部结构。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 6 页图 2-3 SG3525 内部电路图引脚 1 是误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端（引脚 9）相连，可构成跟随器。引脚 2 是误差放大器同相输入端。在闭环系统和开环系统中，该段接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端（引脚 9）之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。引脚 3 是振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。引脚 4 是振荡器输出端。引脚 5 振荡器定时电容接入端。引脚 6 是振荡器定时电阻接入
19、端。引脚 7 振荡器放电端，该端与引脚 5 之间外接一只放电电阻，构成放电回路。引脚 8 是软启动电容接入端。该端通常接一只外接的软启动电容。引脚 9 是 PWM 比较器补偿信号输入端，在该端与引脚 2 之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。引脚 10 是外部关断信号输入端。该端接高电平是控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，以实现故障保护。引脚 11 是输出端 A。引脚 12 是信号地。引脚 13 是输出级偏置电压接入端。引脚 14 是输出端 B，引脚 14 和引脚 11 是两路互补输出端。引脚 15 是偏置电源接入端。引脚 16 是基准电源输出端，该端可
20、输出一温度稳定性极好的基准电压。具体的 Buck 稳压电路可以参见第 3 章，第 3.4 节。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 7 页第 3 章 系统设计第 3.1 节 Boost 电路原理boost 升压电路，是一种开关直流升压电路，它可以使输出电压比输入电压高。基本电路如图 3-1 所示。图 3-1 Boost 基本电路假定那个开关（三极管或者 mos 管）已经断开了很长时间，所有的元件都处于理想状态，电容电压等于输入电压。下面充分利用充电和放电两个部分来说明这个电路。3.1.1. 充电过程在充电过程中，开关闭合（三极管或者 mos 管导通） ，等效电路如图 3-2 所示，开关（三极管或者
21、 mos 管）处用导线代替。这时，输入电流流过电感。二极管防止电容对地放电。由于输入是直流电，所以电感上的电流以一定的比率线性增加，这个比率跟电感大小有关。随着电感电流增加，电感里储存了一些能量。图 3-2 BOOST 电路充电过程3.1.2. 放电过程如图 3-3 所示，这是当开关断开（三极管截止）时的等效电路。当开关断开（三极管或者 mos 管截止）时，由于电感的电流保持特性，流经电感的电流不会马上变为 0，而是缓慢的由充电完毕时的值变为 0。而原来的电路已断开，于是电感只能通过新电路放电，即电感开始给电容充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了，升压完毕。苏州大学本科生毕业设计
22、（论文）第 8 页图 3-3 BOOST 电路放电过程说起来升压过程就是一个电感的能量传递过程。充电时，电感吸收能量，放电时电感放出能量。 如果电容量足够大，那么在输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。如果这个通断的过程不断重复，在电容两端就可以得到高于输入电压的电压。第 3.2 节 APFC 电路设计与参数计算采用 Boost APFC 电路进行设计，如图 3-4 所示 Boost APFC 电路采用 PWM 控制方式，并由全控型器件组成，它把逆变电路中的 SPWM 控制技术用于整流电路，使其输入电流非常接近正弦波并和输入电压同相位，得到网侧功率因数接近 1。3.2.1. 电路原理分析
23、如图 3-4 所示，220V 交流电先经过外部的变压器，转换为 20V30V 的交流电，然后从 BOOST APFC 的 L、N 端输入，熔断器 F1 和电容 C1 起到保护和抗干扰的作用。VD1VD4 构成了桥式整流电路，C6、C7 起到滤波的作用，R1、R2 分压后，给MC33262 的乘法器（管脚 3）提供输入电压。R3 是限流电阻，给管脚 8 提供合适的输入电流。R7 、R8 分压后，给管脚 1 提供一个反馈电压。管脚 7 输出驱动信号，使开关管不断地改变导通和截止的状态，随着开关管的导通和截止，电感不断地吸收能量和放出能量。当电感放出能量时，通过功率二极管 VD6 给电容 C10 充电，电容两端电压升高，此时电压已经高于输入电压了，升压完毕。如果电容量足够大，那么输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。如果这个通断的过程不断重复，在电容两端就可以得到稳定得电压。至此，第一级 BOOST APFC 的功能全部实现。图 3-4 BOOST APFC 电路
