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采用良好的闭环反馈电路补偿机制

作者:admin发布时间:2019-01-26 04:40

  :基于有源功率因数校准技术,设计了一款高功率因数开关电源实验平台,平台具有自动功率因数校正,结构简单,保护措施完善等优势。平台整体系统设计以德州仪器公司的APFC芯片UCC28019为核心器件,采用电流内环加电压外环的双闭环控制,保证了系统功率因数不低于0.95,采用电流电压互感器采集信号相位,测量并实现功率因数实时显示,同时也可对异常输出进行继电保护。电源系统采用BOOST升压电路,在输出36V/2A额定条件下效率不低于95%,采用良好的闭环反馈电路补偿机制,电压调整率和负载调整率均不高于0.5%。控制核

  作者吴振宇 吴冀平 杨启涯 辛全彬 大连理工大学创新创业学院(辽宁 大连 116023)

  摘要:基于有源功率因数校准技术,设计了一款高功率因数开关电源实验平台,平台具有自动功率因数校正,结构简单,保护措施完善等优势。平台整体系统设计以德州仪器公司的APFC芯片UCC28019为核心器件,采用电流内环加电压外环的双闭环控制,保证了系统功率因数不低于0.95,采用电流电压互感器采集信号相位,测量并实现功率因数实时显示,同时也可对异常输出进行继电保护。电源系统采用BOOST升压电路,在输出36V/2A额定条件下效率不低于95%,采用良好的闭环反馈电路补偿机制,电压调整率和负载调整率均不高于0.5%。控制核心采用Freescale的MC9S12XS128单片机,完成功率因数测量、电压/电流的动态测量、参数显示、过流保护等功能。测试表明,整体系统运行性能稳定,各项技术指标均达到设计需求。

  本实验平台主要由BOOST升压电源模块、功率因数采集模块、单片机运算模块、功率因数校准及设定模块、电源模块组成,系统设计框图如图1,下面分别讨论各模块电路选用的基础。

  采用BOOST拓扑结构的开关电源。该拓扑具有电路简单、电源侧电流波动小等优点,同时也可让学生充分体验开关升压电路的技术特点和重要设计参数,了解电感手工制作过程。相比于推挽拓扑,本设计结构简单,且更适用于小功率型电源。北京赛车PK10官网投注

  本方案采用电流互感器、电压互感器采集电流电压相位信息,经过放大等处理后由单片机算得相位差,进而求解功率因数,与集成计量芯片ATT7053芯片方案[3-5]相比较,本方案具有良好的电气隔离性能、成本低,且对原电路影响小等优点。

  UCC28019是德州仪器公司生产的专用功率因数校正芯片,芯片接口简洁,且具有自动功率因数校正的功能,可完美与BOOST电路配合使用[6],完全解决了用软件设定开关管关断延迟而导致的不确定因素,提升了电路稳定性[7]。

  功率因数校正部分基于UCC28019设计,主要分为输入继电保护部分、BOOST电路功率变换部分、UCC28019周边电路、IRF540功率MOS开关管及驱动电路、输出反馈电路。其中,继保部分利用单片机检测到的输出电流电压值控制继电器开断,对系统异常做出处理,设定为输出电流大于2.5A保护;BOOST电路部分设计为输出额定电压36V,并且采用了二极管阻容电路对尖峰电压进行抑制;UCC28019周边电路参考德州仪器给出的设计手册,结合实际需要进行修改;由于系统功率不超过100W,电流也较小,故采用MOS管进行开断,节约了开关驱动部分成本,IRF540也具有导通阻抗小的优势,有利于提升系统的效率;反馈电路采用电阻分压的方案,使用抗温飘性能好的精密电阻,保证系统稳定工作,且设置电位器改变输出电压值以胜任不同需求。电路原理设计如图2。

  系统设计了功率因数测量单元,用于实时测定功率因数,同时判定是否需要发出继电保护信号,功率因数测量模块设计框图如图3。

  功率因数采集单元安装互感器测量电流电压信号,用OP07及LM358构成放大跟随电路,互感器得出的信号可以放大到单片机内部AD可以直接采集的大小,而后直接交由单片机处理。小信号处理部分原理图设计如图4所示。

  本系统采用Freescale的MC9S12XS128单片机,完成功率因数测量,并实现电压、电流等动态参数显示,同时通过测得电流值快速实现过流保护等功能。采集及继电保护软件流程如图5。

  首先上电调试反馈电路使系统稳定工作,而后依次测试电路电压调整率、负载调整率、效率等参数。测试前保证设定输出电压为36V,输出电流为2A额定状态,测量输入电压在20~30V间变化时的输出电压得出电压调整率并计算效率,同时记录系统功率因数。而后,调整输出负载,使输出电压在0.2~2.5A间变化,测量输出电压变化,得出负载调整率,同时验证系统在电流超过2.5A时是否可以自行保护[8]。

  测试数据如表1、表2所示。由数据得出系统电压调整率不高于0.5%,负载调整率不高于0.5%,效率等参数不低于95%,功率因数不低于0.95。可实现过流保护,保护电流为2.5A。

  综上所述,本设计用BOOST升压电路实现了功率因素测量与校正,满足教学中关于功率因数校正问题实际验证的需求,体现功率因数校正的意义与方法。同时模块还可应用于BOOST电路的示教和设计教学,具有一定的实用价值。

  [1]张桂东,张波,李忠,等.一种基于图论的电力电子拓扑构造方法[C]//中国电源学会第二十届学术年会. 2013.

  [3]代朝飞.单相远程费控智能电能表设计[D].浙江工业大学, 2011.

  [4]姚川.适用于宽输入电压范围的Buck-Boost直流变换器及其控制策略的研究[D].华中科技大学,2013.

  本文来源于《电子产品世界》2017年第2期第48页,欢迎您写论文时引用,并注明出处。

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