功率因數(shù)可調(diào)單相AC-DC變換電路*

楊 力，張師斌，趙 寧

(東南大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院，南京210096)

YANGLi，ZHANGShibin，ZHAO Ning*

(School of Electronic Science and Engineering，Southeast University，Nanjing 210096，China)

隨著電力電子的飛速發(fā)展，電網(wǎng)中的諧波污染也日趨嚴(yán)重，許多AC-DC電路沒有對功率因數(shù)進(jìn)行校正，其對電網(wǎng)的污染降低了用電設(shè)備的效率，造成一系列危害，阻礙了電力電子技術(shù)的發(fā)展。

而解決這一問題的有效辦法就是有源功率因數(shù)校正技術(shù)APFC(Active Power Factor Correction)。有源功率因數(shù)校正，就是從電路上采取措施，通常是在電源輸入級接入功率因數(shù)校正網(wǎng)絡(luò)［1］，使得電源的輸入電流與輸入電壓同相，以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的校正。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正的功能，在高效率ACDC變換的同時(shí)減少了對電網(wǎng)的諧波污染，測量并顯示輸出電壓、功率因數(shù)等參數(shù)，具有穩(wěn)壓輸出和過流保護(hù)功能，而且本系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)可調(diào)的功能，可模擬低功率因數(shù)電路，相比單一的功率因數(shù)校正電路具有更廣闊的應(yīng)用性。

1 設(shè)計(jì)方案及工作原理

1．1 系統(tǒng)總框圖

系統(tǒng)總框圖如圖1所示，變壓器交流電壓經(jīng)過AC-DC變換電路，輸出直流電壓，其中AC-DC變換電路完成功率因數(shù)的校正。根據(jù)功率因數(shù)測量電路的輸出，MSP430［2］反饋控制移相電路精準(zhǔn)調(diào)節(jié)功率因數(shù)。電壓電流測量電路實(shí)時(shí)監(jiān)測輸出電壓和電流。若電壓超出閾值，輸出端接入DC-DC降壓電路，保證輸出電壓不變。當(dāng)輸出電流超出閾值，MSP430切斷電路，完成過流保護(hù)。其中4x4鍵盤用于手動(dòng)設(shè)置功率因數(shù)，LCD12864用于顯示測得的各個(gè)參數(shù)。

圖1 系統(tǒng)總框圖

該電路采用UCC28019A集成芯片，比分立原件搭建的電路更加可靠穩(wěn)定，且電路外圍電路簡單，易于設(shè)計(jì)，其中Vsense引腳接輸出電壓反饋，在合適輸入電壓范圍內(nèi)可保證輸出電壓穩(wěn)定不變。如圖2所示，通過將芯片的3腳與電流反饋信號斷開，接入如圖4的移相電路，實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)的調(diào)整。

本系統(tǒng)作為功率因數(shù)可調(diào)單相AC-DC變換電路，主要參數(shù)指標(biāo)如下:其輸入電壓范圍為交流20 V～30 V，輸出電流≤2．5 A，輸出電壓穩(wěn)定在直流36 V，其功率因數(shù)在0．8～1．0范圍內(nèi)可調(diào)。

1．2 功率因數(shù)校正

分立元件搭建的APFC電路［3］由于模塊冗雜，且DSP控制算法［4］難度高，功率因數(shù)難以達(dá)到很高的指標(biāo)。所以方案使用基于連續(xù)電流控制模式(CCM［5］)的功率因數(shù)校正芯片 UCC28019A［6］，其APFC的電路如圖2所示。電路如圖3所示。

該電路傳遞函數(shù)推導(dǎo)如下:

看作理想運(yùn)放，則有U+=U－，代入求解得:

圖2 APFC電路

1．3 功率因數(shù)調(diào)整

UCC28019A通過芯片內(nèi)部電流和電壓環(huán)雙環(huán)控制來完成功率因數(shù)校正。根據(jù)這一點(diǎn)，功率因數(shù)的調(diào)節(jié)通過將電流反饋信號移相實(shí)現(xiàn)，而本系統(tǒng)要求功率因數(shù)在0．8～1．0可調(diào)，當(dāng)功率因數(shù)為0．8時(shí)，電壓與電流相位差為36．86°，系統(tǒng)移相電路至少需保證0°～36．68°的相移。采用常用的RC移相

圖3 RC移相電路

如果取參數(shù)R1=R2，則表達(dá)式化簡為

其模為1，理論上只產(chǎn)生相移而不會(huì)影響幅值。當(dāng)R3=0時(shí)，相移為 0;當(dāng) ωC1R3=∞ 時(shí)，相移為－π。

圖4 數(shù)控移相電路

將圖3移相電路中的可調(diào)電阻用數(shù)字電位器X9C102(1K)代替，電阻值可以通過程序控制，即程序控制相位移動(dòng)，電路圖如圖4所示。

1．4 功率因數(shù)測量

由于電流電壓波形會(huì)失真，測量電流和電壓的波形的相位差計(jì)算功率因數(shù)的方法誤差很大，所以不適用。功率因數(shù)可由PF=P/S［7］而得，P為有功功率，S為視在功率，S可直接由測得的輸入電壓電流的有效值相乘得到，而有功功率可直接將電壓電流波形通過乘法器后再計(jì)算其有效值得到。在變壓器繞幾圈線接出即可得到輸入電壓波形，使用霍爾電流傳感器得到電流波形。有效值測量直接使用集成有效值計(jì)算芯片AD637［8］，然后為了AD采樣的精準(zhǔn)和穩(wěn)定，使用了 24 bitΣ－Δ型 AD芯片ADS1248［9］，保證高測量精度。其電壓有效值測量電路如圖5所示。其電流有效值測量電路如圖6所示。其有功功率功率測量電路如圖7所示。

圖5 電壓有效值電路

圖6 電流有效值電路

圖7 有功功率有效值電路

1．5 DC-DC 降壓

當(dāng)輸入交流電壓有效值大于25．5 V時(shí)，由UCC28019A控制的Boost升壓電路的輸出電壓將超出36 V。所以需要接一級可接入的降壓電路穩(wěn)定到36 V，若使用線性穩(wěn)壓芯片會(huì)影響電源效率，所以采用Buck降壓電路［10］，效率可達(dá)到96%以上。因?yàn)榻祲弘娐返那袚Q需要采集當(dāng)前的電壓輸出，而且只在輸入電壓過高的時(shí)候使用，所以buck電路采取軟件閉環(huán)控制，控制簡單穩(wěn)定，MCU負(fù)擔(dān)不大。其電路如圖8所示。

圖8 DC-DC降壓電路

1．6 輸出電流測量

在最終電壓輸出端，與負(fù)載串聯(lián)一個(gè)100 mΩ的電阻，其上電壓正比于負(fù)載電流，兩端電壓通過INA282差分放大后接入電壓跟隨器，由AD采集最后輸出后計(jì)算可得負(fù)載電流。在檢測到輸出電流大于2．5 A情況下，電路自動(dòng)切斷，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析

2．1 主程序流程圖

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)分析主程序流程圖如圖9所示。

圖9 主程序流程圖

2．2 核心程序模塊設(shè)計(jì)

2．2．1 AD 采樣與顯示

整個(gè)系統(tǒng)需要對多路模擬信號進(jìn)行AD采集，而電路紋波較大，為了AD采集的穩(wěn)定和精準(zhǔn)，采用24 bitΣ－Δ型 AD芯片 ADS1248，ADS1248是 SPI接口［11］。所以在程序中讓 MSP430的 IO口模擬SPI的時(shí)序，以實(shí)現(xiàn)對不同端口的AD值的讀取。采集的值是24 bit二進(jìn)制，所以用長整型格式保存，為了避免一次采集數(shù)據(jù)的誤差，所以程序?qū)D值又進(jìn)行了32次采樣取平均，取平均通過向低位移5位實(shí)現(xiàn)，提高了程序效率。

顯示采用LCD12864，先將每一個(gè)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成字符串，長整型數(shù)據(jù)的每一位通過先除法再求余來轉(zhuǎn)換成ACILL碼，然后通過SPI時(shí)序向其寫入數(shù)據(jù)即可顯示。

2．2．2 功率因數(shù)的 PID［12］調(diào)節(jié)

在功率因數(shù)精確測量的情況下，通過對比設(shè)定的功率因數(shù)就可得到誤差，因?yàn)橹恍枰{(diào)整后的功率因數(shù)穩(wěn)定，所以利用對誤差的比例和微分運(yùn)算實(shí)現(xiàn)PD調(diào)節(jié)就可以滿足系統(tǒng)對響應(yīng)時(shí)間的要求和功率因數(shù)的穩(wěn)定，相比開環(huán)控制能具有更強(qiáng)的適應(yīng)性。其具體實(shí)現(xiàn)方式為將功率因數(shù)測量值和設(shè)定值的差值作為誤差，通過計(jì)算得到誤差的比例項(xiàng)和微分項(xiàng)之和，以此作為移相電路中數(shù)字電位器電阻變化量，并根據(jù)測試選取合適的比例參數(shù)和微分參數(shù)，這種調(diào)節(jié)方式的精度只與數(shù)字電位器調(diào)節(jié)精度和功率因數(shù)測量精度相關(guān)，大大降低電路非線性和參數(shù)變化的影響。

2．2．3 DC-DC 降壓電路的接入

在輸入電壓大于25．5V的情況下，UCC28019A所控制的Boost升壓電路將超出36 V的輸出電壓，所以需要切入DC-DC降壓電路。程序里面每個(gè)大循環(huán)都對UCC28019A所控制的電路的輸出電壓進(jìn)行了AD采集，當(dāng)輸出電壓大于36．1 V時(shí)，此時(shí)程序里面通過控制繼電器接入DC-DC降壓電路，同時(shí)開啟MSP430內(nèi)部PWM輸出，控制DC-DC降壓電路中的MOS管，根據(jù)末端輸出的電壓值，PD調(diào)節(jié)PWM的輸出值。

性能測試

(1)輸入保持24 V，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻，輸出電流I0=2 A時(shí)，輸出電壓為U0=35．99 V。

(2)根據(jù)輸入輸出功率計(jì)算得電路效率為91．4%。

(3)由單相電參數(shù)測試儀讀取電路功率因數(shù)PF=0．997。

(4)負(fù)載調(diào)整率測試:保持輸入電壓為24 V，調(diào)節(jié)負(fù)載電阻，記錄輸出電壓如表1所示。

表1 0．17 A～2．00 A輸出電流下的輸出電壓

負(fù)載率0．056%。

(5)電壓調(diào)整率測試:調(diào)節(jié)負(fù)載使輸出電流Io=2 A，調(diào)節(jié)輸入電壓Us在20 V～30 V范圍內(nèi)變化，記錄輸出電壓如表2所示。

表2 20 V～30 V輸入電壓下的輸出電壓

電壓調(diào)整率0．028%。

(6)功率因數(shù)調(diào)整測試:設(shè)定不同功率因數(shù)，設(shè)定值、電參數(shù)測量儀測試結(jié)果如表3所示。

表3 功率因數(shù)在0．8～1．0內(nèi)調(diào)整的測試結(jié)果

(7)過流保護(hù)測試:調(diào)節(jié)負(fù)載，使輸出電流增加，當(dāng)增加至2．5A時(shí)，電路切斷保護(hù)。

3 結(jié)論

本系統(tǒng)采用UCC28019A芯片及外圍電路、MSP430組成單相AC-DC變換電路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)調(diào)節(jié)的數(shù)字化、智能化，根據(jù)上述性能測試的數(shù)據(jù)，表明其電路性能達(dá)到了設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)的校正和可調(diào)、穩(wěn)壓輸出和過流保護(hù)的功能。本電路由于是具有功率因數(shù)可調(diào)電路，因此，可以作為模擬低功率因數(shù)電路使用。UCC28019A芯片常用于較高交流電壓輸入的電路，而本設(shè)計(jì)也驗(yàn)證了該芯片在較低交流輸入電壓下也能正常工作，所以本設(shè)計(jì)也可作為UCC28019A的應(yīng)用實(shí)例。

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