基于PFC技术(自动功率因数校正)电源.docxVIP

基于PFC技术（自动功率因数校正）节能系统设计说明书设计者：张精瑞，孙静平，孙鸿儒指导教师：姜威（山东大学 信息科学与工程学院，济南，250100）作品内容简介我们通过理论推导和实验设计了一套自动功率因数校正(Active Power Factor Correction，APFC)节能系统。作品整体是一个高功率因数的交流开关电源，通过有源功率因数校正芯片UCC28019驱动、控制Boost升压电路方式搭建主体电路，实现交流电到直流电的转换(AC-DC)以及功率因数的自动补偿、校正。开关电源部分采用隔离变压器将220V市电降压至12V交流电，整流后通过Boost电路进行升压稳压，转化为稳定的15-25V可调直流电压，功率最高可达100W，可供笔记本电脑、各类充电电池、交换机、直流电机、LED等需直流电的电力电子设备使用。功率因数校正部分，由于开关电源的一大特性是整体电路呈容性，产生较高的无功功率且被耗散，功率因数降低。为解决这一功率浪费问题，采用UCC28019芯片对输入端电压、电流相位进行采样，自动补偿校正、提高功率因数，基本消除了开关电源上的无功功率损耗，同时避免开关电源作为容性负载污染电网，起到了节约电能、保护电网的作用。辅助电路部分，我们采用MSP430F149低功耗单片机通过内置的模数转换器对输出电压、电流进行检测并显示，同时使用单片机控制继电器实现过流保护和欠压保护功能。采用功率因数表实时显示系统的功率因数，并以此验证系统的有效性。同时在容易发热的整流桥和开关管附近增加了温度传感器DS18B20，一旦过热可以通过单片机驱动微型风扇进行风冷降温。1 研制背景及意义随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而这些设备都离不开可靠的电源，其中很大一部分是采用的是直流电源。开关电源即为直流电源中重要的一类，以其小型化、高频化、轻便化、高输出功率、宽电压调整范围及低成本，得到了广泛应用和迅猛发展。顾名思义，开关电源就是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不停地导通和关断，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现AC/DC或DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。在多种开关电源稳压电路拓扑中，Boost电路是一种采用较多、性能较好的升压稳压电路。这种电路采用一个储能电感，在开关管导通时，电流流过电感储存能量，电容电量作为输出；开关管关断时，电感储存的能量对电容充电，电容两端电压升高。如果电容足够大，输出端就可以在放电过程中保持一个持续的电流。这个通断的过程不断重复，就可以在电容两端得到高于输入电压的直流电压。图1 Boost升压电路原理图开关电源虽然有诸多优点，但在能源节约上却有一个极其明显的劣势，即开关电源整体呈容性。这就导致开关电源在作为交流负载时，交流电流相位超前于电压相位。定义功率因数为电压与电流之间的相位差的余弦，可以证明其为有功功率P与视在功率S的比值。从一定程度来说功率因数也反映了用电器的能耗效率，因为有功功率是用电器有效工作的功率，而视在功率是电网提供给用电器的总功率，二者比值P/S亦即功率因数越高，用电器能效越高，因为视在功率S中除有功功率P以外的部分被耗散浪费掉。如前所述，普通开关电源恰好是容性负载，交流电流、电压相位差远大于0，导致功率因数较低，耗散掉的无功功率较多。功率因数降低还会导致供电电网中产生高次谐波，严重污染电网。由于开关电源应用十分广泛，以个人计算机为例，每台计算机均有一个电源适配器，其中核心部分即为开关电源。据测算，PC机的功率因数约0.8，即每台计算机20%的输入功率被浪费。可见其浪费的无功功率总量及对电网造成的污染是相当惊人的。为解决这一问题，我们决定在普通开关电源中引入功率因数校正的功能。由于采用投放电容或电感的被动式（无源）功率因数校正效果较差且难以控制，我们选择主动式（有源）功率因数校正方式，即采用有源功率因数校正芯片加采样电路的方式，自动调节、补偿功率因数，使开关电源的功率因数达到接近1的水平，从而减小无功功率损耗及电网污染，提高开关电源的能源利用率。2 设计方案2.1 系统原理框图本系统的原理框图如图2所示。图2系统总框图2.2主回路设计开关电源主回路设计图如图3所示。图3电源主回路图中省略了前端的220V-12V隔离变压器，直接以12V交流作为输入电压。图中上半部回路是升压电路，输入电压经过EMI滤波电感滤除高频干扰，经过二极管全桥整流，输入以MOSFET开关管IRF540为核心的Boost升压电路，稳压后输出；下半部回路是控制电路，IRF540的通断受UCC28019芯片控制，芯片对整流后的电压、电流进行采样以测算出输入交流电压、电流相位差，并通过PWM控制调整开关管通断时间，以补偿