儀器科學與電氣工程學院
題目：單相有源功率因數校正電路的設計與實現
學生姓名學號：
專業**：
電氣工程及其自動化
指導教師：
2023年3月 5日
開題報告評審意見
注：用16k紙列印或填寫
一、研究目的與意義
常規開關電源功率因數低的根源是整流電路後面的濾波電容使輸出電壓平滑，但卻使輸入電流變為尖脈衝，產生一系列奇次諧波，對電網造成汙染，可能會造成電子裝置損壞。諧波電流的危害：
1) 諧波電流的「二次效應」，即電流流過線路阻抗而造成的諧波壓降反過來使電網電壓(正弦波)波動，發生畸變。
2) 諧波電流引起電路故障，損害裝置。比如可以使線路和配電裝置過熱、引起電網lc諧振等。
3) 諧波電流對自身及同一系統中的其他電子裝置產生惡劣的影響，如引起電子裝置誤操作，引起通訊雜訊等。
採用有源功率因數校正技術是解決上述問題的有效途徑。
圖1 單相整流電路圖2 濾波電容引起的輸入電流尖脈衝
二、主要工作內容和預期達到的目標
2.1了解功率因數定義
功率因數的定義是指輸入有功功率(p)和視在功率(s)的比值, 線性電路功率因數可cos用表示，為正弦電流與正弦電壓的相位差。但是由於整流電路中二極體的非線性，導致輸入電流為嚴重的非正弦波形，僅僅用用cos已不能表示整流電路的功率因數。在電力電子電路中，用pf表示功率因數。
（i1——基波電流有效值；in（n≥2）——n次電流諧波有效值；iin——輸入電流有效值；vrms——電網電壓有效值；——基波電壓和基波電流的相移因數）
/ = /被稱為電流的畸變因數，總諧波畸變（total harmonic distortion—thd）的定義是所有諧波分量的有效值與基波分有效值的比。
thd=，thd用來衡量電網的汙染程度。由此可見功率因數是位移因數和畸變因數的乘積。欲提高電路的功率因數,，不僅要減小電壓與電流的相位差，還必須最大限度地抑制輸入電流的波形畸變,實現真正的正弦輸入電流。
如果在整流濾波後不加濾波電路,僅為阻性負載時,輸入電流即為正弦波.並且與電源電壓同相位,功率因數為1.因此,功率因數校正電路的基本思想就是將整流電路與濾波電容隔開,使整流電路由電容性負載變成電阻性負載。
2.2熟悉有源功率因數校正原理
有源功率因數校正電路（active power factor correction簡稱apfc）其實就是乙個dc-dc變換器.它是利用脈衝波寬度調製(pwm)技術來調整輸入功率的大小,以**適當的負載所需的功率.脈衝波寬度調製器控制切換開關將直流輸入電壓變換成一串電壓脈衝波,隨後利用變壓器和快速二極體將其轉換成平滑的直流電壓輸出.
這個輸出電壓隨即與乙個參考電壓進行比較,所產生的電壓差反饋至pwm控制器.這個誤差電壓訊號用來改變脈衝波寬度的大小.如果輸出電壓過高,脈衝波電壓會減小,進而使輸出電壓降低,使輸出電壓恢復至正常輸出值.
pfc電路就是利用這個方法,但是加入了乙個電路,使的來自交流電源的電流是乙個正弦波並與交流電壓同相位.此時誤差電壓訊號的調製是由整流後的交流電壓和輸出電壓的變化來控制的,最後誤差電壓訊號反饋至pwm控制器.也就是說,當交流電壓高時,pfc電路就從交流電源吸取較多的功率;反之若交流電壓較低,則吸收較少的功率,這樣就可以抑制交流電流諧波的產生.
圖3 apfc的基本原理框圖
2.3 功率因數校正電路方法分類
有源功率因數校正電路結構分為：
1) 降壓式：因雜訊大，濾波困難，功率開關管上電壓應力大，控制驅動電平浮動，很少被採用。
2) 公升/降壓式：需用二個功率開關管，有乙個功率開關管的驅動控制訊號浮動，電路複雜，較少採用。
3) 反激式：輸出與輸入隔離，輸出電壓可以任意選擇，採用簡單電壓型控制，適用於 150w 以下功率的應用場合。
4) 公升壓式（boost）：簡單電流型控制，pf 值高，總諧波失真（thd）小，效率高，但是輸出電壓高於輸入電壓。適用於 75w~2000w 功率範圍的應用場合，應用最為廣泛。
由於本人設計的校正電路預期輸出功率為200w以上，輸出電壓達到400v，故選擇公升壓式boost拓撲。
公升壓式拓撲具有以下優點：
1) 電路中的電感 l 適用於電流型控制。
2) 由於公升壓型 apfc 的預調整作用在輸出電容器 c 上保持高電壓，所以電容器 c 體積小、儲能大。
3) 在整個交流輸入電壓變化範圍內能保持很高的功率因數。
4) 輸入電流連續，並且在 apfc 開關瞬間輸入電流小，易於 emi 濾波。
5) 公升壓電感 l 能阻止快速的電壓、電流瞬變，提高了電路工作可靠性。
apfc輸入電流控制方法的選擇：
1) 峰值電流控制型這種方法的特點是輸入電流的峰值包絡線跟蹤輸入電壓波形，可使輸入電流和輸入電壓同相，並接近正弦。其工作原理是：在每個開關週期開始時，功率管vt導通，電感電流上公升，當電感電流上公升到峰值（由基準電流控制）時，比較器動作，輸出訊號使vt關斷，電感電流下降，直到下乙個開關週期vt再次導通。
這種方法的開關頻率是固定的。峰值電流控制方式的電流反饋訊號既可以通過檢測電感電流得到，也可通過檢測vt上的電流得到。基準電流值由電壓誤差放大器的輸出訊號與整流電壓vdc的檢測訊號相乘得到的。
圖為峰值電流控制的電感電流波形。峰值電流控制有可能產生次諧波振盪，因此必須採取斜率補償措施。
2) 滯後電流控制型這種方法利用滯環比較器，使電感電流圍繞基準電流上下變動，變動的範圍決定於滯環的寬度。與峰值方式不同的是這種方法的電流反饋訊號必須來自對電感電流的檢測，但是電流基準訊號是用同樣的方法得到的。通過這種方式使輸入電流跟蹤輸入電壓波形，可使輸入電流和輸入電壓同相，並接近正弦。
這種控制方法的缺點是：開關頻率不固定，使輸出濾波器的設計難以優化；滯環控制和峰值控制對雜訊都很敏感。
3) 平均電流控制型這種控制方法採用的是電壓外環、電流內環的雙環控制。它用電流誤差放大器替代峰值和滯環方法中的電流比較器，形成電流內環。同樣以輸出電壓誤差放大訊號與整流電壓的檢測值的乘積為基準電流，和電流反饋加到電流誤差放大器輸入端，通過誤差放大器調節輸入電流平均值。
使輸入電流和電壓同相，並接近正弦波形。輸入電流與基準電流比較後，其高頻分量被平均化處理，平均電流誤差訊號與鋸齒波比較後形成控制開關vt通斷的pwm訊號。平均電流控制的特點：
thd小；對雜訊不敏感。既可工作於電流連續模式（ccm），也可工作於斷續模式（dcm）。
圖4 峰值電流控制型圖5 滯後電流控制型
圖6 平均電流控制型
2.3 功率因數校正電路的設計
uc3854 是一種工作於平均電流的的公升壓型（boost）apfc 電路，它的峰值開關電流近似等於輸入電流，是目前使用最廣泛的 apfc 電路。具有以下特點：控制公升壓pwm的功率因數達到99%以上，線電流失真小於5%，輸入電壓可在90v~270v之間變化，低訊雜比，1a圖騰柱式門極驅動電流。
圖7 uc3854 結構框圖
圖8 使用uc3854實驗apfc電路原理圖
2.4 實驗測試方法
1) 輸出波形測試，使用示波器測試輸出電壓和電流波形情況，計算功率因數。
2) 功率測試，使用萬用表和示波器測試帶載情況下的功率輸出情況。
2.5 預期達到的目標
1.提交一塊可用的功率因數校正電路板，指標為：
a.功率因數≥95%；b.vin=220v（ac），p≥200w；c.效率=80%-85%
d.輸出vo=400v（ dc）。
2.提交一篇總結研究過程的畢業**。
三、前期準備工作情況
1. 調研：了解國內外單相有源功率因數校正的技術方法。
2. 查詢資料：查詢有關功率因數校正的**，校正晶元的資料，開關電源設計的資料。
3. 閱讀文獻
1) 《switching power supply design(third edition)》 abraham i.pres**an and keith billing
2) 《精通開關電源設計》sanjaya maniktala
3) 《pfc工作原理及pfc典型控制晶元工作機理及應用》李桂臣
4) 《high power factor preregulator》
5) 《現代電力電子技術元器件識別、檢測及應用》徐遠根，劉敏，喬恩
4. 設計整體電路結構
四、核心器件及經費預算
五、要求的實驗條件及落實情況
1. 實驗室：130實驗室
2. 計算機一台
3. 測試裝置：萬用表，示波器
六、課題的難點及解決辦法
重難點在於boost公升壓電路電感的選擇和製作，uc3854外圍電路的設計以及整體電路板的除錯，由於這是乙個純硬體電路，所以除錯起來會比較困難，所以在進行焊接之前，必須充分閱讀資料，了解電路的特性以及其中各個元器件的作用，才能更好地進行除錯。
七、時間安排
2012.12-2013.1 收集資料，熟悉有源功率因數校正方法的原理和特點
2013.3.5 －2013.3.18 (1-2周)設計功率因數校正電路的整體框圖，查閱各部分設計的不同方案；
2013.3.19－2013.4.1（3-4周）分析，**計算，確定最終實現方案；
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