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PFC使用的UC3854

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功率因数校正设计所使用的uc3854原件

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基于UC3854的单级式功率因数校正的研究 郑诗程 刘小丽 葛芦生 安徽工业大学电气信息工程学院(马鞍山 243002) 摘要:本文在研究了单级式功率因数校正原理的基础上, 设计了基于UC3854为核心的控制电路和系统主电路, 并对主电路的参数进行了详细分析和计算; 实验证明, 系统的参数设计准确有效, 系统的输入功率因数(PF)达到0.99以上, 总谐波畸变率(THD)在6%以下; 系统稳态性能良好, 输出电压在较宽的输入电压范围内均能保持稳定. 关键词:功率因数; 单级; 总谐波畸变 Research of single-stage PFC Based on UC3854 Zheng shicheng Liu xiaoli Ge lusheng School of electrical and information of Anhui university of technology (Ma’anshan 243002) Abstract: This paper studies the principle of single stage power factor correction, and control circuit based on the chip of UC3854 and main circuit are designed. Simultaneously, parameters of the main circuit are analyzed and calculated, and these parameters are proved to be effective and correct by experiments. Power Factor of the system is greater than 0.99, and THD is less than 6%. The static performance is better and the output voltage is steady when input voltage varies from 90V to 130V. Keywords: Power factor; Single stage; THD 1. 引言 近年来,随着电子技术的发展,各种办公自动化设备,家用电器,计算机被大量使用,然而,在这些设备的内部都离不开一个共同的“心脏”—— 开关电源,即将市电转化为直流电源,以供给系统的需求。在这个转换过程中,由于一些非线性元件的存在,导致输入的交流电压虽然是正弦的,但输入的交流电流却严重畸变,功率因数PF=0.67。如图1所示。 图1.输入电压电流波形 脉冲状的输入电流,含有大量的谐波,而谐波的存在,不但对公共电力系统产生污染,易造成电路故障,而且严重降低了系统的功率因数。本课题基于此问题进行有源功率因数校正技术的模拟控制策略研究,设计了基于UC3854为核心的功率因数校正系统,实现了电源装置网侧电流正弦化,功率因数接近1,极大地减少了电流谐波,消除了对公共电力系统的污染。 2.功率因数校正原理 2.1功率因数的定义 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[3],即功率因数 PF===cosφ = γcosφ (1) 式中,表示交流输入市电的基波电流有效值;表示交流输入市电电流的有效值;γ=/表示交流输入市电电流的波形畸变因数;cosφ表示交流输入市电的基波电压和基波电流的相位移因数。所以功率因数(PF)可以定义为交流输入市电电流的波形畸变因数γ与相位移因数cosφ的乘积。 2.2功率因数(PF)与总谐波畸变因数(THD)的关系 (2) PF=== (3) 当输入电压和电流同频、同相位时,由式(3)可得 (4) 3. 系统的实现方案 3. 1 PFC 的控制方法和工作模式如下表1: 表1.PFC的控制方法和工作模式表 由于平均电流控制的Boost功率因数校正器的主要特点是采用电流误差放大器,放大后的平均电流误差与锯齿波斜坡比较后,给开关管Tr驱动信号,并决定了其应有的占空比,于是电流误差被迅速而精确地校正。由于电流环有较高的增益-带宽,使跟踪误差产生的畸变小于1%,容易实现接近于1的功率因数,因此,本文采用平均电流控制的电感电流连续模式(CCM)。 3. 2主电路设计 3.2.1主电路拓扑结构 主电路采用单级功率因数校正器,主要是将PFC级和DC/DC变换级集成在一起,两级共用一只功率器件,它与传统的两级电路相比省掉了一只功率器件,增加了一个二极管。系统拓扑如图2所示。另外,其控制采用常规的PWM方式,相对简单。 图2.单级有源功率因数校正 3.2.2主电路参数设计 设计指标如下: P=1000W,Vin=90~130V,Uo=200V或者Vin=130V~260V,Uo=400V,fs=50KHZ~100KHZ,PF>0.99以上,THD<8%。 (1) 升压电感L的计算 其中Vin(peak)是输入电压的最小峰值电压,D是输入电流峰值最大时的占空比,Fs是开关频率,是最大输入电流纹波。 (2) 输出电容的选择 ,此处选1000uF。 (3) 输入单相整流桥 单相整流桥承受的最大峰值电压为,最大输入电流有效值为:,考虑到安全裕量,本系统选用的单相整流桥型号为KBPC3510。 (4) 开关管MOSFET的选择 MOSFET导通时流过的电流为电感电流,电感电流的最大峰值为: ,考虑到输出二极管的反向恢复电流,则通过功率开关管的峰值电流为,开关管承受的最大直流电压为,所以选用MOSFET 的规格为VDSS=500V,IDM=26A的APT5020。 (5) 输出二极管 由于电路的开关频率较高,所以输出二极管须采用快恢复二极管。它们的特点是开关特性好,反向恢复时间短,耐压高,正向电流大,体积小,安装简便。本设计中,输出二极管承受的最大直流电压为480V,输出电流,(当输出电压为200V时,输出电流最大)。考虑到安全裕量选取定额为8A/1200V的RHRP8120型快恢复二极管。 3. 3控制电路设计 本文设计了基于UC3854为核心的有源功率因数校正系统的控制电路,以减小输入电流的谐波畸变。UC3854是TI公司生产的专门用于功率因数校正的集成控制芯片,在它的内部含有电压放大器、模拟乘法器﹨除法器电路、电流放大器电路和恒频PWM控制电路,同时还含有驱动外接功率开关管MOSFET的驱动输出电路、7.5V基准电压源、交流市电输入电压预测电路、低供电电压检测电路和过电流比较器电路。UC3854利用平均电流控制技术,实现恒频电流控制,具有稳定性好和畸变小的优点。UC3854可应用于交流输入供电电压范围为75~275V、电源的供电频率范围为50~400Hz的有源功率因数校正场合,由于UC3854的工作电流小,所以简化了UC3854的供电电路部分的设计。系统控制电路如图3所示。 图3.UC3854实现PFC的控制电路图 3. 4 实验装置 本实验装置的主电路和控制电路集成于一块板上,UC3854芯片的电源电压由另外一块辅助电源板提供,如图4所示。在实验中,利用电能质量分析仪(FLUKE-434)对电压电流波形,THD和功率因数(PF)进行测试。由于用FLUKE-434测试PF时,精度只能达到0.01,因此,本系统测试的PF显示值最高只能显示0.99。 图4.实验装置 4. 实验结果 经过多次实验,取得实验如下数据(表2)。 表2. 实验数据表 输入电压(V) 输出电压(V) THD (Vin)% THD (Iin)% PF% 90 200 4.2 10.7 0.99 100 200 3.9 8.6 0.99 110 200 3.5 7.1 0.99 120 200 3.1 7.6 0.99 125 200 2.9 6.7 0.99 130 200 2.7 5.8 0.99 图5,6,7,8分别为经过校正以后的输入电压在110V时的输入电压、电流波形,电压和电流总谐波畸变率(THD),功率因数(PF)值。 5. 结论 根据实验结果,可以看出: 1) 经UC3854校正以后,电压和电流波形同相位,输入电流为正弦波,不再是脉冲状; 2) 输入电压的总谐波畸变率降到了2.7%,电流的总谐波畸变率降到了5.8%; 3) 功率因数(PF)值从0.67提升到了0.99以上;同时输出电压在较宽的输入电压范围内(90~130V)均能保持恒定。 图5.电压和电流波形 图6.电流总谐波畸变率 图7.电压总谐波畸变率 图8.功率因数显示 参 考 文 献 [1] 路秋生. 功率因数校正技术与应用. 北京: 机械工业出版社,2006,2. [2] 倪海东, 蒋玉萍. 高频开关电源集成控制器. 北京: 机械工业出版社,2004,9. [3] 张占松, 蔡宣三. 开关电源的原理与设计. 北京: 电子工业出版社, 1998. [4] 蔡宣三, 龚绍文. 高频功率电子学. 北京: 科学出版社,1993. [5] WanFenZhang. New Controler Starategies For AC-DC Converters With Power Factor Correction , Department of Electrical and Computer engineering, February 2005. [6] FredC.lee,Chairman,Dushan Boroyevich, DanY.Chen. ThREE-PHASE POWER FACTOR CORRECTION CIRCUITS FOR LOW-COST DISTRIBUTED POWER SYSTEMS. ProQuest Information and Learning Company, 2003. 作者简介: 郑诗程, 男, 1972.10生, 博士, 安徽工业大学电信学院自动化系副教授; 刘小丽, 女, 1982.3生, 安徽工业大学电信学院电力电子与电力传动专业硕士研究生.

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