1、i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 电子信息科学与技术学生姓名指导教师完成日期ii一种高效率单相 AC-DC 变换电路的设计前言 .3第 1 章 绪论 .4第 1.1 节 研究现状与问题 .4第 1.2 节 研究背景 .4第 1.3 节 课题研究的意义和主要工作 .5第 2 章 系统方案 .6第 2.1 节 DCDC 变换模块的论证和选择 .6第 2.2 节 PFC 控制方案的论证和选择 .7第 3 章 系统理论分析与计算 .8第 3.1 节 电路设计的分析 .83.1.1 主电路的分析 .83.1.2 控制电路的分析 .93.1.3 功率因数
2、测量电路的分析 .12第 3.2 节 主回路器件的选择及参数计算 .12第 3.3 节 PFC 控制电路参数计算 .15第 4 章 电路的设计 .17第 4.1 节 系统总体框图 .17第 4.2 节 主电路子系统框图与电路原理图 .17第 4.3 节 辅助电路子系统框图与电路原理图 .18第 5 章 测试方案与测试结果 .19第 5.1 节 测试方案 .19第 5.2 节 测试条件与仪器 .19第 5.3 节 测试结果与分析和结论 .195.3.1. 测试结果(数据) .195.3.2. 测试分析和结论 .23参考文献 .24致谢 .25附录： .26附录一：实物图 .26附录二，测试连线图
3、 .26附录三：电路原理图 .27第 1 页摘要随着电力电子装置在电网中的广泛应用，电能的质量问题引起了人们的普遍关注，而 PFC 既功率因数校正技术是改善这一问题的有效手段之一。本次课题的研究也让我对电力能源的认知有了很大的提高，本系统以 Boost 升压斩波电路为核心，采用 PFC 功率因数校正专用控制芯片 UCC28019 产生 PWM 波形，进行闭环反馈控制，这样就可以实现稳压输出。通过实验得出的结果说明：电源进线的交流电压和负载电流在比较宽的范围内变化时，电源输出直流电压能够保持较高的稳定性，电源交流输入功率因数达到99%，效率达到 88%，具有良好的电压调整率和负载调整率.关键词：
4、电力电子装置开关电源 UCC28019 Boost 电路 功率因数校正第 2 页AbstractWith the wide application of power electronic devices in the power grid, power quality problems has attracted widespread attention, and PFC power factor correction technology is one of the effective methods to improve this problem. This topic research
5、also made me the cognition to the electric energy had the very big enhancement, this system is to Boost the Boost chopper circuit as the core, adopts PFC control chip dedicated power factor correction UCC28019 PWM wave forms, a closed-loop feedback control, so that it can realize the voltage output.
6、 Through the experiment results show that: the power supply into line voltage and load current changes in a comparatively wide scope, can maintain the stability of the high power output dc voltage, power supply ac input power factor of 99%, efficiency reached 88%, good voltage regulation and load re
7、gulation.Keywords: power electronic deviceSwitching power supply UCC28019 Boost power factor correction circuit第 3 页前言伴随着 PWM 变换器在工业和家电领域的越来越多的应用，带来了一个很大的问题，就是电网的污染越来越严重，而电网污染中最严重的就是谐波电流的污染。这已经引起了全世界各个国家和相关领域的组织的高度重视，并且已经出台了许多相关的法律法规。而解决这一问题的最行之有效有效的方法就是提高效率值，因而如今许多的家用电器已经开始大量的采用变频方式的系统，例如变频冰箱，变频空调变
8、频洗衣机等家电，这也成为了相关行业的趋势，但因为传统的变频系统有着不可控整流桥非线性的缺陷，因而输入电流的波形系数就很差，这样就会导致输入的功率因数会很低。为解决这个棘手的问题，传统的升压式 AC-DC 变换器在这些变频家电中得到了广泛的应用，成为了目前的家电 PFC 方案中最成熟的一中。传统的 PFC 意思是“功率因数校正”，其方法分为 3 种，无源 PFC,部分有源 PFC 以及完全有源 PFC。功率因数指是指电路的有效功率占其输入的总功率的百分比，也就是也就是有效功率和输入的总功率之间的比值。它是用来评判电力的利用是否良好的重要标准，功率因数值越大的的话也就意味着整个电力的系统的利用率越
9、高。本系统采用 TI 公司的 PFC 控制芯片 UCC28019 为核心的功率因数校正的基本原理来实现课题所要求的功能。系统的组成部分是取样电路，功率因数校正和控制显示电路。这一设计首先是要对电路进行检测，检测所需的部分就是检测电路，而检测电路检测完之后的结果就是控制电路中 PFC 的控制芯片 UCC28019 的电压误差放大器大小的依据。这一措施可以稳定开始就设定好的输出电压，输出电压得以稳定的话就可以用电流误差放大器来将电源的整体的功率因数提高。通过实验得出只要采用 APFC 就可以把电源输出电压稳定，从而实现功率因数的校正。第 4 页第 1 章 绪论第 1.1 节 研究现状与问题最近这些
10、年以来，随着迅速发展的电力电子技术，我们在各类与电力相关的工业，以及家庭的电力系统中都看到了电力装置的应用。伴随着这些装置的日益重要的作用衍生出了很多的污染问题，其中就有危害性非常大的谐波污染。也正因如此，很多的发达国家和发展中国家以及国外的学术机构都为了应对这一危害而制定了很多的准则来规范电力系统和用电设施的中产生的各类谐波。我国也在生产的各种电力工业以及家用电器中实施了相关谐波标准，因为这不仅能解决很多污染的问题，同时也起到了很大的节能功效，缓解我国能源紧缺的现状。随着各国组织的大量研究和实验，达成了很多这方面的技术性成果。人们大量的发展和应用单相有源 ac-dc 变换技术是实现这些成果的
11、重大因素。经常使用的控制器主要是 MCU 与 DSP 两种，而常用的电感是常规电感以及平面电感这两种功率电感。磁极成技术使用在电感制作中，铁氧体则是使用在磁芯材料上的。开关频率可以在 10khz-100khz 之间；分流电阻是用在电流检测上的，同时也需要电流互感器和电流霍尔传感器；通常是用峰值电流采样课的平均值来进行电流采样，而它们的三种导通的模式是 CCM,DCM 以及 CRM。三种拓扑结构则是两电平，三电平以及多电平构造，同时也有以并联交错或者串联交错的结构；电路设计的部分则可以运用智能功率模块，功率集成和器件分立这三种形式。就目前而言，采用电源供电的升压型单相有源 ac-dc 变换器是最
12、常用，既传统的boost 有源 PFC。这一项技术已经在生活中的通讯行业和各项家用电器中应用的非常的多了，这也引起了是个各国的各大生产商家的重视，他们认为这是一个很大的市场，其中推出了这一项目一系列产品的就有 st，ONSEMI，ti 等世界著名 IC 生产商，他们纷纷都研发出来了各种各样的全模拟有源 PFC 控制器，包括14981a、b，16561,11651，vk05，uc3854an、BN、cn6901 以及 ucc3818 等等。他们研制的产品中的一些芯片甚至同时具备了有源 PFC 和开关电源 PVW 这样两个功能、甚至是有些比较特别的芯片还可以进行开关频率的调制。这样就可以很好的改良
13、系统中的 EMC 环境。第 1.2 节 研究背景电源是一个系统中非常重要的角色，他可以被看成系统的心脏。电源给系统提供了持续和稳定的能量，并免除了系统会受到的外部的侵扰。由此可知，电源性能的好坏和电子设备的各个技术指标都是有着密切关系的，同时电源是我们这个社会所需要的重要第 5 页的能源，现如今的社会是一个需要能源去不断发展的社会，而能源中最重要的一项就是电能，电能的使用充斥着我们的整个生活。没有了电我们的生活会成什么样，相信大家会难以想象，而电力的发展却伴随着各种各样的污染和危害，其中的谐波危害就是非常严重的一项。为了解决这一问题，PFC 既“功率因数校正”技术就是解决这一问题的很好的手段。
14、正是基于这些，全世界各国以及相关组织对这一研究课题进行了非常大的投入，使得这一行业变成了一个非常值得我们新时期大学生去专心投入的方向。而这就要求我们要更好的学习和研究其中的很多知识，我本次的毕业设计的研究课题就与这个有关，它的重要性让我很开心的去投入这一课题的研究，相信通过此次的研究，会让我更好的了解和认知电力功效的相关领域的知识。第 1.3 节 课题研究的意义和主要工作基与上述我所提到了内容，我们可以基本的了解到本课题主要的研究意义就是减少污染，节约能源，同时方便我们的生活和工作等，也可以为人类的可持续发展做出很重要的贡献。因此，我们应该更好更全身心的通入这一课题的研究中，也可以让我们未来的
15、生活更加便捷。而这一课题研究的主要工作就是努力找到提高功率因数的方法，因为提高功率因数就是提高电力效率的重要方法，正如上文所说的通过稳定输入电压调整电流误差放大器的方法来将电源的整体的功率因数提高，这就要求我们去寻找更好的减小电流误差的方法从而提高电力能源的使用效率。而本文就是通过各种方案的设想和验证来找到很好的提高功率因数的方法。同时也希望大家能更好的重视节能的问题，因为只有重视节能杜绝污染才能让我们的地球更好的更持久的成为我们的家园。第 6 页第 2 章 系统方案第 2.1 节 DCDC 变换模块的论证和选择方案一：Buck 型拓扑结构变换器这一方案就是通过隔离变压器的输出端将电压整换成三
16、倍压整流，再来就是想办法实现直流电压的降压变换，我们可以通过 Buck 型拓扑结构来完成降压变换这一功能。但这一方法有着一个很大的弊端就是需要一个电源输入端的电压值达到很高的要求，实现电压输入端电压值高的方法就是采用驱动控制电路这一非常繁琐的电路，而且还没有很强的可靠程度，因而不选择这一方案。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 8-Sep-2013 Sheet of File: D:ProtelExamples.ddb Drawn By:D1L1C1Vpc+-V0S+图 2-1 Buck 电路原理图方案二： 型拓扑结构
17、变换器：Cuk它的输出电压极性与输入电压相反，但输出电压值可以高于、等于或低于输入电压的值。它有着连续的输入及输出电流，通过这其中的两个电感之间的补偿耦合，输入及输出波纹的电压及电流被抑制，甚至可以让其值变为零，但这一方案存在着就是波纹抑制会被因内部的谐振的传递作用而断续和削弱的问题。它的稳定性也会因为和变压器隔离和耦合电感线圈的结构中的耦合电流可能导致输出电流方向这一问题而存在很大的隐患。1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 5-Sep-2013 Sheet of File: D:ProtelExamples.ddb
18、Drawn By:L1D1L2C2C1Vpc+-V0S图 2-2cuk 电路原理图方案三：Boost 型拓扑结构变换器：下图 2-3 就是 Boost 的升斩波电路。在这一电路中，外部的 PWM 信号可以用来操控开关的连接与断开，而电感的工作就是不断的变换地将能量进行存放和释放。当电感 L进行存储能量时电压就会实现泵升，而这时的电容 C 就能实现保持输出电压的功能，输第 7 页出电压与输入电压的关系为 DUs10，通过改变 PWM 控制信号的占空比 D 可以相应实现输出电压的变化。这一电路的升压方法是直接直流变流，因而会具有结构简单损耗值小以及效率高的特点。1 2 3 4 5 6ABCD654
19、321DCBATitleNumber RevisionSizeBDate: 8-Sep-2013 Sheet of File: D:ProtelExamples.ddb Drawn By:D1L1C1Vpc+-V0S+图 2-3 Boost 电路原理图经过这一系列的验证和综合的比较及分析我们可以得出 Boost 型拓扑结构变换器是DCDC 变换器是实现课题要求最适合的方案。第 2.2 节 PFC 控制方案的论证和选择模拟和数字控制方法是我们经常会采用的两种比较好的功率因数校正的控制方法，根据这一思路可以联想到下面这几种不同的控制计划：方案一：采用 DSP+BOOST 实现：参数的控制用纯软件的
20、方式进行调整，我们可以想到，PWM 波的占空比，运用数字控制的话就能很好的缩小元器件的使用数目，同时也有着消减原料及装置成本，还可以有效的降低干预，而且可以减小干扰，这是一个很好的方案单因为对这一方面的知识有限所以无法使用这个计划。方案二：采用 BOOST+UC3854 实现：UC3854 是一种特殊的在平均电流中实现功能的升压型有源 PFC。它的特点就是峰值开关电流是接近输入电流的。也是如今利用的非常普遍的 APFC 型电路。该方案是通过调度乘法器，电压放大器和电流放大器来实现的 PFC 电路。方案三：采用 BOOST+UCC28019 实现：UCC28019 功率因数校正芯片是 TI 公司
21、新推出的产品，这一芯片的校正方法就是运用平均电流模式，这一方式可以使输入电流的跟踪误差产生的畸变小于 1，因而就可以把功率因数提高到靠近 1 这一高标准。UCC28019 组成的 PFC 电路,只调节一个放大器的补偿网络即可。通过对上述三个方案的论述和比较我们可以清楚的发现其中最简单易行并且有效的就是第三种方案，通过实验也能验证这一方案是完全可以完成课题所提出的要求的因此，本次课题将用方案三来完成。第 8 页第 3 章 系统理论分析与计算第 3.1 节 电路设计的分析本次设计的是输入交流电压为 24V，输出直流电压 36V 以及直流电流为 2A 的高功率因数开关电源。它是由主电路，控制电路，测
22、试电路以及保护电路这四个部分组成的电路。整个过程的开始是输入 220V 的交流电，再将其通过环形变压器变换调压成一个 24V的交流电然后将其进行整流，而整流的方法就是运用全桥整流电路。最后一部就是通过高频滤波电容后送给主电路，主电路采用的是 Boost 电路，通过 PFC 芯片 UCC28019 进行控制器开断，经过这一电路之后就可以变换成为一个 36V 的直流电流。其中，PFC 和单片机测量的控制电路组成了测量和控制这两部分的电路，通过一些 PFC 的专用的芯片构建成了 PFC 的控制电路，单片机测量控制电路主要作用是输出侧通过电阻分压并用电压、电流传感器进行采集比较送至单片机进行功率因数测
23、量显示。保护电路是 PFC 芯片的过压和过流保护。3.1.1 主电路的分析由下图 3-1 中我们可以看到是由输出电容 C0，电感 L1，以及二极管 D1 结合构建成了 Boost 变换电路，原理图如图 3-1 所示：Q1L1 D1C0 R0R1R2PWM EA +VdcVeaVwmV+ VrefV0图 3-1Boost 变换电路原理图本电路的工作原理：串联一个电感 L1 在 和开关管 Q1 之间，输出电容 C0 以及负载的供电可以由电感的dcV下端通过整流二极管来实现。电路中的 Q1 在 Ton 时段导通时，D1 就会发生反偏，当 L1的的电流值上涨到 时 L1 就能充满很多的额能量既：/1PdcItL2210.5()EL电路中的 C0 的选值必须要设置的够大的值，因为 C0 要为 Q1 导通时的供应输出电流。这样就可以满足减少 Ton 时段负载供电电压的要求。
