高功率因數(shù)電源設(shè)計

  方案論證
1．1 DC／DC主回路拓撲方案
    方案1：Buck型拓撲結(jié)構(gòu)變換器
    該方案可在隔離變壓器輸出端進行三倍壓整流，再將直流電壓通過Buck型拓撲結(jié)構(gòu)進行降壓變換實現(xiàn)。但采用Buck型變換器輸入端電壓偏高，驅(qū)動電路和控制電路的電源方案較麻煩，并且可靠性不高。
    方案2：Cuk型拓撲結(jié)構(gòu)變換器
    它的輸出電壓極性與輸入電壓相反，但其值可以高于、等于或低于輸入電壓的值。其輸入和輸出電流都是連續(xù)的，經(jīng)兩個電感的補償耦合，將輸入和輸出的波紋電流和電壓抑制到零，但內(nèi)部諧振使傳遞作用斷續(xù)或在某些頻率上削弱輸入波紋抑制。在耦合電感線圈和變壓器隔離的結(jié)構(gòu)中，由于“開關(guān)導(dǎo)通”初期的沖擊耦合電流會引起輸出電壓反向，并且也存在穩(wěn)定性問題。
    方案3：Boost型拓撲結(jié)構(gòu)變換器
    Boost電路的輸出電壓極性與輸入電壓相同，但總是高于輸入電壓。輸入電流是連續(xù)的，只需要較小的輸入濾波。輸出電壓與負載電流無關(guān)，并且輸出電阻非常低，硬件上容易實現(xiàn)，且控制簡單，技術(shù)成熟。通過以上綜合分析比較，Boost型拓撲結(jié)構(gòu)變換器是DC／DC變換器的理想選擇。
1．2 系統(tǒng)控制方案
    方案1：幅度控制方式，即通過改變開關(guān)電源輸入電壓的幅值而控制輸出電壓大小的控制方式。這種方式效率很低，當(dāng)?shù)蛪狠敵鰰r，將造成大部分能量消耗在調(diào)整管或電阻上。
    方案2：脈沖寬度控制，指功率管的開關(guān)工作頻率(即開關(guān)周期)固定，是一種直接通過改變導(dǎo)通時間(即占空比)來控制輸出電壓大小的方式，它采用升壓型(Boost)或降壓型(Buck)拓撲結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)輸出電壓的改變。這種控制又稱PWM控制。
    由于PWM控制方式采用了固定的開關(guān)頻率，因此，設(shè)計濾波電路時簡單方便。綜合比較，采用方案二作為控制方法。

2 硬件設(shè)計與主要參數(shù)計算
2．1 系統(tǒng)總體電路框架
    根據(jù)題目的設(shè)計要求，系統(tǒng)由AC／DC變換電路、DC／DC變換電路、功率因數(shù)檢測電路、PFC控制電路、數(shù)字設(shè)定及測量顯示電路、保護電路等6大部分組成。其系統(tǒng)電路總體框架如圖1所示

2．2 DC／DC變換模塊
    DC／DC采用Boost變換電路，其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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2．2．1 二極管參數(shù)
    在功率MOSFET截止期間，VD正向偏置而導(dǎo)通，最大流通電流達2 A左右；在MOSFET導(dǎo)通期間，VD反向偏置而截止，此時二極管反向電壓為Vin。為了確保電路的可靠性，故選取整流二極管MUR3060。
2．2．2 功率開關(guān)管參數(shù)
    功率開關(guān)MOSFET所要承受的基本電壓為截止時所承受的電壓Vin，導(dǎo)通時所要承受的導(dǎo)通電流為2 A。為確保電路的可靠性，應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)陌踩Ａ浚蔬x取功率開關(guān)管IRFP150N，其耐壓、耐流完全滿足要求。
2．2．3 儲能電感參數(shù)
    變換器中的電感線圈在任何正常條件下不能飽和，并且為了有好的效率，線圈和磁心的損耗必須要小。理論上電感可具有任何值，大電感可具有低波紋電流，且輕載時可連續(xù)導(dǎo)通，但負載瞬態(tài)響應(yīng)差。小的電感波紋電流大，增加了開關(guān)損耗和輸出波紋。在輕載時出現(xiàn)不連續(xù)導(dǎo)通，且導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定?？墒牵渌矐B(tài)響應(yīng)性能好，效率高，尺寸小，所以電感的選擇只能折中，通常選擇使臨界電流低于最小規(guī)定負載電流的電感，或按可接受的波紋電流盡可能地以小的標(biāo)準(zhǔn)來選擇。電感量通過公式：

    計算出：L≥0．07 mH。另外，輸出電流達到2 A，功率較大，由于參數(shù)類型特殊，普通電感遠達不到要求，故選用粗銅線與環(huán)型磁鐵的自制電感。
2．2．4 輸出濾波電容參數(shù)
    輸出濾波電容C兩端電壓為輸出電壓Vout。C的濾波使輸出Vout的波形連續(xù)。對DC／DC轉(zhuǎn)換器而言，工作頻率越高，所要求的電容值越低。設(shè)計中選用4 700 μF的電容。
2．3 PFC控制模塊
    開關(guān)電源是借助開關(guān)器件的開／關(guān)(ON／OFF)實現(xiàn)能量交換的。輸出控制由晶體管的導(dǎo)通時間決定。實際上PWM控制就是控制開關(guān)管導(dǎo)通的占空比。結(jié)合控制方式及功率因數(shù)的要求，設(shè)計中選用TI公司提供的具有功率因數(shù)校正功能的UCC28019芯片作為PFC控制模塊。UCC28019為8引腳連續(xù)電流模式(CCM)控制器，其重要元件參數(shù)的計算如下：

3．3 MF。PFC控制模塊與各電路連接見圖3。

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2．4 顯示與測量模塊
    數(shù)字設(shè)定及顯示，功率因數(shù)檢測兩部分由MSP430F247單片機、鍵盤和128×64液晶顯示器構(gòu)成。與普通LED相比，液晶顯示界面與操作界更友好。
2．5 過流保護模塊
    過電流保護是一種電源負載保護功能，以避免發(fā)生包括輸出端子上短路在內(nèi)的過負載輸出電流對電源和負載的損壞。出現(xiàn)過流時，控制信號使PWM輸出脈寬變窄，輸出電壓迅速下降，從而抑制電流。

3 軟件設(shè)計流程
    系統(tǒng)軟件設(shè)計分為兩大部分，包括輸出檢測及顯示；功率因數(shù)檢測。設(shè)計流程如圖4所示。

4．系統(tǒng)測試
4．1 測試方法
    (1)設(shè)定不同輸出電壓值，測量實際電壓輸出；
    (2)設(shè)定某一固定輸出電壓值，調(diào)節(jié)U2從15～19 V變化，測量實際電壓輸出。
    (3)設(shè)定某一固定輸出電壓值和U2，調(diào)節(jié)負載，測量實際電壓輸出。
4．2 測試儀器
    測試儀器有：單相自耦調(diào)壓器；普通數(shù)字萬用表；四位半數(shù)字萬用表；60 MHz數(shù)字示波器(雙通道)。

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4．3 測試主要數(shù)據(jù)
4．3．1 輸出電壓
    當(dāng)電壓U2=18 V，負載電流為0．5～2 A時，設(shè)定和實際輸出的電壓見表1。
4．3．2 功率因數(shù)
    功率因數(shù)計算如下：

式中：U2，I2分別為變壓器副邊的電壓和電流有效值；I21為I2中的基波分量；φ1為U2和I21之間的相位差。為計算簡單，這里用U2，I2之間相位差的余弦cosφ作為功率因數(shù)。
4．3．3 電壓調(diào)整率
    輸出電壓設(shè)定值為36 V，當(dāng)U2=15 V，Io=2 A時，Uo=35．7 V；當(dāng)U2=17 V，Io=2 A時，Uo=35．8 V；當(dāng)U2=19 V，Io=2 A時，Uo=36．0 V；電壓調(diào)整率σv≤0．2％。
4．3．4 負載調(diào)整率
    設(shè)定U2=17 V，輸出為36 V，則Io=0．2 A時，Uo=35．9 V；Io=2 A時，Uo=35．8 V；負載調(diào)整率σL≤0．3％。

5 結(jié) 語
    通過測試的數(shù)據(jù)顯示，該設(shè)計較好地完成了預(yù)期設(shè)計目標(biāo)，功率因數(shù)高達95％以上，穩(wěn)定性好。但也有一定的不足，如輸出存在雜波，輸出電壓設(shè)定值與實際輸出值的誤差較大等，這些問題有待以后的研究中進一步改善。