《电力电子系统设计与实验》总结报告要点

《电力电子系统设计与实验》实践报告

专业：电力电子与电力传动

学号：S10080804029

报告人：龚钢

小组成员：龚钢杨夏祎

日期：2011年7月12日

目录

1、产品设计目标： (1)

1.1 产品性能指标汇总 (1)

1.2 产品设计依据 (1)

2、产品主电路工作原理概述 (2)

2.1 开关电源主电路 (2)

2.2 前级PFC工作原理 (2)

2.3 PFC控制芯片L6561介绍 (4)

2.4 后级反激电路工作原理 (5)

2.5 Flyback控制芯片LTA705S介绍 (5)

3、电路参数设计 (6)

3.1 前级PFC电路参数设计 (6)

3.1.1 Boost变换器工作原理及电感电容的计算 (6)

3.1.2 Boost电感设计 (8)

3.2 后级Flyback电路的设计 (9)

4、仿真及实验结果分析 (11)

5、问题或现象分析 (13)

6、心得体会 (14)

附录 (16)

1、产品设计目标：

1.1 产品性能指标汇总

产品参数设计指标：

输入电压：90~264V AC、3.15A、47~63Hz；

输出电压：19.2V DC、4.2A；

输出功率：70W~90W；

功率因数：0.95以上；

1.2 产品设计依据

从产品参数设计指标分析，其输入为交流电，输出为直流电，故首先需要设计整流电路，本产品设计的是二极管不控整流。整流输出为脉动较大的直流电（即交流电的半个周期）。此外本产品对电能利用率有要求，功率因数要求高于0.95，因此需要加入功率因数校正（PFC）环节。从所学知识了解到，Boost变换器可用作功率因数校正（PFC）。这也是一种常用的PFC拓扑电路。Boost变换器有三种工作模式，分别为电感电流连续模式、电感电流临界连续模式和电感电流断续工作模式。其中，电感电流临界连续模式下，可以通过有效控制，使输入交流电流和交流电压同相位从而有效提高功率因数。综合各种因素考虑本产品设计选择Boost工作在电感电流临界连续模式。

264。为满足这一宽范围本产品设计要求输入电压范围较宽。最大输入电压峰值2

输入要求，同时考虑经济合理性，本产品设计Boost电路工作正常的输出电压为400V 直流电。为了对Boost电路有效控制，实现PFC，本产品设计选用性价比较高的芯片L6561。

通过Boost电路实现功率因数校正后，输出电压较高。而产品要求输出电压为19.2V。为此，电路还需要一个DC/DC降压拓扑电路。可以实现降压的拓扑电路有很多。非隔离式变换电路：Buck变换器、Buck-Boost变换器、Cuck变换器；隔离式变换器：单端正激式隔离变换器，单端反激式隔离变换器。由于反激变换器能实现输入输出电气隔离，电压升降范围宽，运行可靠性能高等优点，因此本产品选择反激变换器实现DC/DC降压。

常用的高集成反激控制芯片有SG6742、FAN6754、LTA705S 等。结合实验实际条件，本产品设计选用LTA705S芯片作为反激电路开关管的驱动芯片。

综上所述，产品设计总体电路拓扑结构确定为：二极管整流电路，Boost变换器实现PFC电路、单端反激式隔离变换器实现DC/DC降压变换电路。

2、产品主电路工作原理概述

2.1 开关电源主电路

产品电路中，输入为AC90~264V电压，经过二极管整流桥把交流电变成直流电，然后利用Boost实现功率校正，最后利用单端反激隔离式变换电路进行降压提供稳定的直流输出电压。电路前级采用的控制芯片为L6561，后级采用的控制芯片为LTA705S，工作频率为100kHz。为验证产品设计思路的可行性，依据设计要求首先进行了仿真。图1为本文仿真电路结构图，产品主电路图见附录。

。

o

图1 开关电源电路拓扑结构

2.2 前级PFC工作原理

有源功率因数校正（Active Power Factor Correction）电路，是在传统的不可控整流电路中融入有源器件，使得交流侧电流在一定程度上正弦化，从而减小装置的非线性、改善功率因数的一种高频整流电路。基本的单相APFC电路，在单相桥式不可控整流电路和负载电阻之间增加一个DC-DC功率变换电路，通常采用Boost变换器。通过适当的控制Boost电路中开关管的通断，将整流器的输入电流校正成为与电网电压同相位的正弦波，消除谐波和无功电流，将电网功率因素提高到近似为1，其电路拓扑结构如图2所示。

o

图2 APFC拓扑结构图

假定开关频率足够高，保证电感L的电流连续；输出电容足够大，输出电压可以认为是恒定直流输出电压。电网电压

i

u为理想正弦电压，即有t

U

uω

sin

m

i

=，则不可控整

流桥的输出电压in u 为正弦半波，t U u u ωsin m i in ==。

当开关管T 导通时，in u 对电感充电，电感电流L i 增加，电容C 向负载放电；当T 关断时，二极管D 导通，电感两端电压L u 反向，in u 和L u 对电容充电，电感电流L i 减小。电感电流满足下列关系式。

⎩⎨

⎧+<<++<<==s k on k o m

on k k m L -sin sin d d T t t t t u t U t t t t t U u t i

L

，，ωω (1) 通过控制开关管T 的通断，即调节T 的占空比D ，可以控制电流L i 。若能控制L i 近似为正弦半波电流，且与in u 相同相位，则整流桥交流侧电流也近似为正弦电流，且与电网电压i u 同相位，即可达到功率因数校正的目的。这也是APFC 的基本原理。为实现这一控制目的，需要引入闭环控制。

控制器必须实现两个基本要求：1、实现输出直流电压o u 的调节，使其达到给定值；2、保证电网侧电流正弦化，其功率因数近似为1。为此采用电压外环电流内环的单相PFC 双环控制。如图3所示。

o

图3 APFC 控制原理图

电压外环的作用是实现控制目标的电感电流指令值*

L i 。给定输出电压*o u 减去测量到

的实际输出电压o u 的差值，经PI 调节器作用，输出电感电流的幅值指令*

L I 。测得到的

整流桥输出电压in u 除以其幅值后，得到单位的半正弦量。该值与得到的电感电流幅值

指令相乘得到电感电流的指令值*L i 。*L i 为与in u 同相位的正弦半波电流，其幅值可控制

直流电压o u 的大小。电流内环的任务是控制开关管T 的通断，使实际的电感电流L i 跟踪

其产生的指令值*L i 。为仿真方便，此处采用了电流滞环控制。通过滞环控制可以保证实际的电感电流L i 在其指令电流*L i 附近波动，波动的大小与滞环的宽度有关。

在实际电路中此处采用的是L6561芯片控制。L6561采用的是电流峰值控制方法和电流检测控制方法的结合。其控制原理为：当芯片5管脚（ZCD ）检测到Boost 电感电流为零时，L6561会驱动开关管导通，此时电感电流基本呈线性上升；当芯片4管脚（CS ）检测到流过开关管的电流（此时也是流过电感的电流）到达规定的上限（即电流峰值）