河南理工大学华飞杯作品.docx

河南理工大学华飞杯作品.docx

《河南理工大学华飞杯作品.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《河南理工大学华飞杯作品.docx（14页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

河南理工大学华飞杯作品

河南理工大学“华飞杯”电子设计竞赛

设计题目：

单相高功率因数PWM整流器

设计成员：

李孝松侯雅晓常莉敏

指导老师：

封海涛

一、设计目的3

二、设计背景3

三、电路设计思路及比较3

3.1设计思路3

3.1.1单片机实现工作电路4

3.1.2PFC实现工作电路4

3.2电路的模块分析5

3.2.1变压模块（交流220V~交流18V）5

3.2.2芯片控制模块6

3.2.3整流滤波及升压模块6

四、设计原理7

4.1芯片功能分析7

4.2电路工作原理8

4.2.1电路功率因数校正9

4.2.2升压电感工作原理9

五、元件选取及参数计算10

5.1开关器件的选取10

5.2输入流波电容的选取10

5.3升压电感的选取10

5.4电感电流检测电阻的选取10

5.5输出电容的选取11

5.6电压反馈电阻的选取11

六、系统的软件设计11

6.1输出电压控制11

6.2功率因数的检测11

七、电路结果及优缺点分析11

7.1电路结果分析11

7.2系统的优缺点12

八、参考文献12

单相高功率因数PWM整流器

【摘要】

本文以“单相高功率因数PWM整流器”为课题，设计并制作一个单相PWM整流器，使得该整流电路最终可输出直流可调电压30V，且功率因数接近于1。

该方案以开关电源PFC控制、SPWM调制技术为基础，采用UCC28019集成芯片矫正功率因数，并结合外电路的滤波电容、升压电感来实现整流和升压的目的。

关键字：

UCC28019功率因数校正PFC控制SPWM调制

Abstract

Thispaperisthesubjectof“SinglephasehighpowerfactorPWMrectifier”todesignandmakeupasinglephasePWMrectifier,sothattherectifiercircuitcanoutputDCadjustablevoltage30v.Inaddition,itspowerfactorcanbecloseto1.TheprogramisthebasisofSwitchingPowerPFCcontroltechnologyandSPWMmodulation,inadvantageoftheUCC28019chiptoredresspowerfactor.Besides,itcanbecombinedwiththefiltercapacitorandtheboostinductoroftheexternalcircuittobringaboutthepurposeoftherectifierandtheboost.

Keyword:

UCC28019powerfactorcorrectionPFCcontrolSPWMmodulation

一、设计目的

本方案的目的是设计并制作一个单相PWM整流器，该整流器主电路如图1所示。

整流桥采用SPWM调制。

Us=18V，滑动变阻器R=100Ω。

使其实现如下功能：

电路输出电压30V；交流侧输入电流接近正弦波，功率因数大于0.9；输出电压可调。

图1主电路结构

二、设计背景

整流器是一种将交流电变为直流电的电子电力设备，广泛应用与工业生产、国防建设及居民生活。

整流电路是整流器的核心部分，决定着整流器性能的优劣。

目前整流电路主要有两种，二极管整流电路和晶闸管相控整流电路，这两种电路都会往电网注入大量的谐波电流，造成严重的电网污染。

于是以脉宽调制技术（PulseWidthModulation—PWM）为支持的PWM整流器顺应而生。

PWM整流器具有以下特点：

1）输入功率因数高，可实现单位功率因数整流。

由于输入电流相位可控，也可以使整流器工作在任意功率因数状态；

2）输入电流正弦，谐波含量少；

3）输出直流电压平稳可调；

4）能量双向流动，既可以工作在整流状态，也可以工作在逆变状态。

三、电路设计思路及比较

3.1设计思路

PWM整流电路按照不同的规则来分有多种类型，在此我们采用的是单相全桥电压型PWM整流电路。

该整流电路具有四个二极管的H桥结构，我们在此采用单相全桥PWM整流器，直流侧电容具有稳压作用，在一个开关周期内，认为是一个不变的值，将PWM逆变电路的正弦脉宽调制（SinusoidalPWM—SPWM）技术应用到PWM整流电路中，四个二极管按照SPWM控制策略，用正弦信号和三角载波相比较的方式控制开通和关断，这样得到的Uab波形将是一系列方波。

针对该设计，我们从不同的角度出发提出了两种方案。

3.1.1单片机实现工作电路

利用单片机来实现。

本方案采用AVR单片机控制IR2112芯片来控制四个场效应管的通断，从而实现整流的作用。

在这个系统中，单片机既起到开关控制的作用，又起到调节三角波的占空比的作用。

通过调节三角波的占空比，利用SPWM调节机制，从而实现输出电压的可调可控作用。

但是，在设计程序过程中，程序无法在单片机中正常工作。

此种办法，电路较为麻烦，且编程要求技术太高。

仿真电路（原理）图如下图2所示。

图2仿真原理图

3.1.2PFC实现工作电路

利用PFC控制电路来实现。

本方案将SPWM技术运用于基本的整流桥、采用集成芯片UCC28019来实现功率因数的提高，并结合外电路的滤波电容、升压电感等来实现整流作用和直流电压的输出可调。

系统总体框图如下图3所示：

图3系统总体框图

综合比较以上方案，方案一采用单片机的控制，程序设计比较难，电路调试比较麻烦；方案二采用以芯片UCC28019、升压电感为中心的PFC控制电路，能够实现电路整流、SPWM调制、电压可控等功能，大大实现了系统的简单化和智能化。

通过这两种方案的比较，我们最终决定采用第二方案设计和制作该整流电路。

3.2电路的模块分析

该整流滤波电路的硬件系统以集成芯片UCC28019为核心，共包括三个模块：

变压模块、芯片控制模块、整流滤波及升压模块。

接下来我们对各个具体模块进行细化分析，从而对整个电路有个较为详细的了解。

3.2.1变压模块（交流220V~交流18V）

变压模块的目的为改变交流电压的幅度值，而不改变它与电流之间的相位关系，既不改变阻抗角。

针对该模块，我们有两种方法。

1）用电路实现变压

该方法的核心部件在于采用整流桥整流，经过各个电容滤波，最终输出AC18V，电路图如下图4所示。

由图中可知该方案所用元件简单，都是我们常见的电阻、电容及电感，比较经济。

但是由于元件都裸露在电路板上，220V的交流电可能遗漏，比较危险。

图4电路实现变压模块

2）变压器直接变压

通过一个AC220V~AC18V的变压器直接实现。

方便简单，只是价格比较昂贵。

此外，市面上变压器的输出值要比所标的理论值多3V。

出于安全性的考虑，本设计采用了这种方案。

3.2.2芯片控制模块

1）采用单片机控制

利用单片机产生三角波，通过调节占空比与输入电压的正弦波进行SPWM调制；并利用单片机控制来实现整流桥的开关作用，实现全波整流。

但单片机的程序设计较为麻烦，比较困难，很难实现和调试。

2）采用芯片UCC28019控制

此芯片内部含有三角波发生器，与变压器输出电压的正弦波进行SPWM调制，占空比的调节最大可以达到97%。

尽管输入电压是正弦的，但是输入电流中含有大量的谐波，经过电容的滤波作用，功率因数依然达不到要求。

该芯片采用平均电流模式对功率因数进行校正，使输入电流的跟踪误差产生的畸变小于1％，实现了接近于l的功率因数。

系统采用这种方案，大大减少了系统的复杂程度，提高了系统的智能化。

+

3.2.3整流滤波及升压模块

1）单片机控制芯片升压

利用单片机程序设计来控制芯片，但是程序设计比较麻烦，且不易调试和检查。

2）利用升压电感升压、多个滤波电容来滤波

升压电感组成芯片UCC28019的外围电路，通过芯片的控制调整场效应管的工作状态，以调节电压的大小。

综合考虑，系统选用这种方案，可以实现系统的统一和协调性。

四、设计原理

本设计的核心在于UCC28019功率因数校正集成块，UCC28019是一个用于功率因数校正，工作在固定频率连续导通模式的升压变换器的控制IC。

因此，在对整流电路进行分析之前，我们应该首先了解一下UCC28019的工作环境及原理。

4.1芯片功能分析

UCC28019是功率矫正芯片，共有8个管脚组成，其芯片管脚图如下图6所示。

图5芯片管脚

芯片由复杂的内部电路构成，各个电路模块之间相互连接，以达到显示其功能的目的。

其各管脚作用分别是：

1管脚（GND脚）—接地端

2管脚（ICOMP脚）—电流环路补偿，跨导电流放大器的输出端

3管脚（ISENSE脚）—电感电流检测端

4管脚（VINS脚）—交流输入电压检测端

5管脚（VCOMP脚）—电压环路补偿端

6管脚（VSENSE脚）—输出电压检测端

7管脚（VCC脚）—电源输入端

8管脚（GATE脚）—栅极驱动输出端

UCC28019内部包括两个环路，电流环路和电压环路。

其中，由电流环路由芯片内部的平均电流放大器，PWM比较器和芯片外部的升压电感及电感电流检测电阻组成，它迫使输入电流跟踪输入电压的波形；电压环路由芯片内部的电压误差放大器，非线性增益和芯片外部的输出电压检测电阻组成，它使输出电压保持在输入电压峰值的电平上,并且稳定输出电压。

控制目标是使输入电流紧跟输入电压的变化,使电流波形保持为正弦波同时保持输出直流电压稳定。

4.2电路工作原理

电路工作的基本原理是利用闭环控制以及电感升压作用,电路原理框图如下图6所示。

有图上可知，使设备在整个正弦周期内获得电能而不是局部,并且通过调整周期内能量管,当其导通时,电感承受输入电压,电流增大而存储电能,当开关管关断时,由于电感的作用,开关管漏极产生高压,电感电流通过续流二极管向输出电容充电,泄放电能。

当输入电压高时,触发脉冲窄,而当输入电压低时,触发脉冲宽,以保证当开关管关断时,提升电感能量足以将开关管漏极电压提升到输出电压且不过压,以保证整个正弦周期都能向负载提供电能。

图6简化电路图

电路包括主电路和PEC控制电路。

主电路由整流桥、电感、MOSFET、快恢复二极管组成,完成功率变换功能。

由UCC28019组成的PFC控制电路是一个双闭环控制电路,内环是一个电流环，外环是一个电压环。

4.2.1电路功率因数校正

提高功率因数的原理图如下图七所示，

图7电路

栅极驱动信号由电流放大器的输出信号和电压误差放大器的输出信号经脉冲宽度比较器调制而成。

当系统处于准稳态时有：

即：

式中：

M1为电流放大器的增益；M2为PWM波的斜坡坡度；Rsense为电感电流检测电阻；iLbst为电感平均电流；M（D）为升压变换器的电压转换比；M1、M2由电压误差放大器和芯片内部参考电压的差值决定，均可以控制输入电流的幅值，且两者的乘积满足一定关系。

当系统处于准稳态时，输出电压为定值，M1、M2也为定值，故有控制环路强迫电感电流跟随输入电压波形以保持升压调节。

又因为Uin为正弦波，因此，电感平均电流同样为正弦波。

4.2.2升压电感工作原理

升压电感是外围电路中一个重要的元件。

交流电通过整流桥、滤波电路，进而由升压电感作用，选择相应参数的升压电感达到输出要求电压的目的。

电感具有电磁转换和升压特性两个特点，当通电瞬间,电会变为磁并以磁的形式储存在电感内.而断电瞬磁会变成电,从电感中释放出来了。

当电路断开时,电感内的能量会以无穷高电压的形式变换回电,升压的幅度仅取决于介质变的击穿电压。

五、元件选取及参数计算

5.1开关器件的选取

开关器件的最大峰值电流可通过以下公式计算：

根据输出电压的最大值及最大峰值电流，选择相应的功率场效应管。

5.2输入流波电容的选取

在允许有20％的电感电流纹波IRIPPLE和6％的高频电压纹波UIN_RIPPLE的情况下，输入滤波电容的最大值CIN由输入电流纹波IRIPPLE和输入电压纹波UIN_RIPPLE（max）决定。

输入滤波电容的值可通过以下公式计算：

式中：

根据计算所得的电容值，选择相应的电容。

5.3升压电感的选取

　　升压电感LBST在确定了电感峰值电流的最大值IL_PEAK（max）后作出选择：

升压电感的最小值根据最坏的情况（占空比为0.5）计算得出：

5.4电感电流检测电阻的选取

　　在电感电流超过最大峰值电流25％时，ISENSE脚电压达到软过流保护阈值的最小值，RSENSE将触发软过流保护。

RSENSE可通过以下公式计算：

此外，为保护芯片免受冲击电流的冲击，在ISENSE脚处串联一个阻值为220Ω的电阻。

5.5输出电容的选取

　　输出电容COUT通过满足转换器的延迟要求来计算。

在一个线性周期内，tHOLDUP=l/fLINE（min），电容的最小值可通过以下公式计算：

5.6电压反馈电阻的选取

　为降低功耗并使电压设置误差达到最小，使用1MΩ作为电压反馈顶部的分压电阻RFB1，通过内部5V的参考电压URR选取底部的分压电阻RFB2以满足输出电压的设计指标：

六、系统的软件设计

6.1输出电压控制

输出电压的控制可以通过增加或减少流经输出采样电阻上的电流,实现改变输出电压的目的。

本系统中的基本控制方法是采用PI反馈控制,即

6.2功率因数的检测

根据前面功率因数检测中提到的检测方法可知功率因数即是检测整形之后的电流及电压的相位差,即功率因数等于cos（Δt*360/T）。

在本系统中电流及电压的频率为50HZ,即周期为20000us,在程序中采用50us的定时器,则频率检测误差为0.25%,能够满足系统的设计要求。

经过系统提高后的功率因数为97%-99%,即相位差的时间为500us左右,这样其相位差检测的精度只有10%,所以本系统中采用检测（T/2-相位角）的方法,精度可以提高到0.5%。

七、电路结果及优缺点分析分析

7.1电路结果分析

7.1.1输出电压的测量

通过改变R11的值，即改变R11与R12的比值，调整输出电压与5V标准值的比值，即可改变输出电压的值。

用万用表测量输出端的输出电压可得最终输出电压为稳压可调27~34V，当稳定R11时，输出电压有0.3~0.5V的波动。

7.2.2功率因数的测试

功率因数测试有两种方法，示波器测量和公式计算。

1）示波器测量

当用示波器测量交流侧采样电阻两端电压与输出电压的波形时，我们发现所测电流的幅值较小，但是其波动周期与电压的波动周期基本吻合，从而可得我们所设计的整流电路的功率因数符合题目要求，接近于1.

2）公式计算

功率因数计算公式

为交流电源输入有功功率的平均值，S为视在功率，为输入电压的有效值，为输入电流的有效值。

测量Vs和Is，算出S，即可算出PF。

7.2系统的优缺点

该系统使用了功能完善的芯片，在原来整流电路的基础上继续实现了提高功率因数、提高电压输出的功能，并且电路能够根据输出电压的大小调节电压的输出。

该系统具有良好的控制作用，电路结构清晰，芯片的外围电路少，制作方便，调节便利。

但是，该系统由于对芯片具有很大的依赖性，使得芯片的作用显得至关重要，做好芯片的散热处理是一个重要的步骤。

八、参考文献

【1】何仰赞，温增银著，《电力系统分析》.武汉：

华中科技大学出版社，2008.7

【2】邱关源著，《电路基础分析》.北京：

高等教育出版社，2010.5

【3】钟海峰著，《基于UCC28019高功率因数电源设计》,武汉大学，2010，25（3）：

15-16

【4】吴伟红著，《高功率因数单相PWM整流器的研究与设计》，中南大学，2011，142（9）：

221-224

【5】王久和著，《电压型PWM整流器的非线性控制》,机械工业,北京:

2010.3