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第２５卷第４期 ２ｏ０７年０７月 佳木斯大学学报（自然科学版） Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｊｉａｍｕｓｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔｕｒａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｅｄｉｔｉｏｎ） ｖ０１．２５ Ｎ０．４ Ｊｕｌｙ ２００７ 文章编号ｉ１００８—１４ｏ２（２０ｏ７）０４—０４８１—０３ 新型单级高功率因数ＡＣ—ＤＣ变换器 赵振民，庄启超，张伟 （黑龙江科技学院电气与信息工程学院。黑龙江哈尔滨１５００２７） 摘要： 针对中小功率场合，验证一种新型单级功率因数校正变换器的拓扑，・分析了其工作原理． 为了减小负载变化时对电容和功率器件造成的影响，主电路采用串联充电并联放电模式，并将开关管两端 的电压自动箝位为电容电压；为了实现高功率因数并降低成本，控制核心改用加法器电路代替乘法器．实 验结果表明，应用电路拓扑的实验装置，功率因数较高，输入电流的谐波满足ＩＥＣ１０００—３—２ Ｃｌａｓｓ Ｄ的要求． 关键词： 变换器；功率因数；单级功率因数校正 中图分类号：ＴＭ４６１ 文献标识码：Ａ Ｏ 引 言 电脑越来越多进人家庭，成为人们生活的必需 原边采用两个对称绕组并联运行．开关管Ｑ．关断 时，开关管承受的电压自动箝位为电容电压，从而消 除了开关管关断时电路寄生参数引起的寄生震荡． 品．但是，普通的电脑电源也给电网带来谐波问题， 大量电脑的使用，给电网造成严重污染，严重的会 影响其他电器工作．因此在电脑电源中引人ＰＦＣ （Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）３￣常必要． 本文设计了一种适用于个人电脑的ＡＣ—ＤＣ １变换器工作原理 变换器如图１所示，变压器包括六个绕组，两 个对称的原边绕组Ⅳ。，Ⅳ２和四个副边绕组 ， Ⅳ４，Ⅳ５，Ⅳ６．二极管Ｄ，防止电流反向，储能电容 Ｃ ，Ｃ 分别与变压器两个原边绕组串联，当开关管 Ｑ。闭合时，储能电容能量通过变压器传递到输出 端；当Ｑ。断开时，输入电压经过电感 给电容充 电，为下一周期做准备． 变换器，它具有ＰＦＣ功能．该变换器将２２０Ｖ的交 流电变换成电脑硬件使用的５Ｖ、±１２Ｖ直流电．为 了减小负载变化对Ｂｏｏｓｔ电容的影响，主电路使用 了两个储能电容，Ｂｏｏｓｔ电感对其充电时，两电容相 串联，每个电容承受的电压应力减半；隔离变压器 Ａ Ｖ 图１变换器原理图 １ 主电路工作原理 （１）输入电压为理想的正弦半波，即： ＝ Ｉ ｓｉｎ（ｗｔ）Ｉ． 为简化分析，作以下假设： （２）开关管工作频率 》 （其中为 交流电 ①收稿日期；２００７—０５—０３ 基金项目：黑龙江省教育厅骨干教师资助项目． 作者简介：赵振民（１９田一）。男。黑龙江双城人，在读博士，副教授，硕士生导师．研究方向为高频功率变换，软开关技术，电源产品的研制 维普资讯 http://www.cqvip.com
４８２ 佳木斯大学学报（自然科学版） Ｎ３２００７年 源频率 ：￣ｏ／２ｒｒ），因此，可假定输入电压在一个 开关周期内保持恒定． （３）电容Ｃ ，Ｃ 值相等，且足够大，其端电压 在半个电源周期内保持恒定， ＝ ＝ ． ． （４）原边绕组匝数相等，即Ｎ。＝Ｎ２＝ Ｐ ： ‘———瓦 一・ （１）ｕ， （２）工作模式２［ｔ。 ｔ：］ ｔ。时刻，开关管Ｑ。关断，Ｄ６导通，Ｂｏｏｓｔ电感给 电容充电．因变压器原边绕组对称，励磁电流有两 条回路：Ｊ７ｖｌ，Ｃ５，Ｄ６，Ｄ７和Ⅳ２，Ｄ４，Ｄ６，Ｃ６．流过二 在一个开关周期内，电路有４个工作模式，图２ 为变换器在一个开关周期内不同工作模式的主要波 形，包括驱动信号 、变压器励磁绕组 的电流 、极管Ｄ６的电流： ＝ ＋ ，电容Ｃ５，Ｃ６的充电 电流也为 ＋ ，励磁电感 两端承受反向电 ｄ 一 电感 的电流 、开关管Ｑ，的漏源电压 ． 压，电流线性下降，下降斜率为： ， 变压器副边绕组Ⅳ３承受反压，Ｄ 截止，Ｄ。导 通；电感 电流线性下降，其下降斜率为： ｓ Ｖ￣Ｃｕ－２Ｖｃｉ—一—ｆ３ 、～ ｄｔ一 （３）工作模式３［ｔ： ｔ。］ ｔ：时刻，输入电感电流下降为０，二极管Ｄ。截 止．由于输出电感 工作在ＣＣＭ方式，续流二极 管Ｄ。继续导通，励磁电流 继续线形下降． （４）工作模式４［ｔ。 ｔ ］ ｆ０ ｆｌ ｔ２ ｔ４ ｔ ｔ。时刻，励磁电流 下降为零，二极管Ｄ。截 止，变压器绕组电压突变为零，开关管Ｑ。端电压由 ２ 突变为 ．ｔ 时刻开关管重新导通，电路进入 下一个工作周期． ２ 控制电路工作原理 图２ 一个开关周期内的主要波形 （１）工作模式１［ｔ。 ｔ。］ 在ｔ。时刻，开关管Ｑ。闭合，Ｄ。导通，输入电压 对电感 充电，电感电流线性增大．同时Ｄ 承受 反压被阻断．电容电压 直接加在变压器原边绕 ＋２Ｊ『Ｐ＋ 组上，储存在电容ｃ ，Ｃ 的能量通过变压器传递 到负载．流过开关管Ｑｌ的电流：ｌｑｌ＝ ，图３为控制电路原理图，用一个加法器电路代 其中 是变压器的励磁电流， 是变压器原边 替乘法器，简化了电路，降低了成本．为实现电感电 流的正弦包络，使电流检测比较器反相输入端的输 入电压为正弦波． 绕组的电流，其大小为变压器副边Ⅳ３电流折合到 原边值的一半，即： 图３控制电路原理图 图３中０Ｐ！为外接运算放大器，ＯＰ２为ＵＣ３８４２ 内部的高增益误差放大器，为了抵消Ｉｃ内部两个 二极管的压降１．４Ｖ和ＯＰ２偏置电压２．５Ｖ，在ＯＰ１ 为１．８ｖ．当ＯＰ１的负极性端加上正弦波，０ＰＩ的输 出电压为： ｖ０ｌ＝２ Ｘ １．８一 ＯＰ２的输出电压为： ＝３．６一 （４） 的同相输入端加上合适的电压，通过计算，其值应 维普资讯 http://www.cqvip.com
第４期 ＝赵振民，等：新型单级高功率因数ＡＣ—ＤＣ变换器 ２×２．５一Ｖｏ１＝１．４＋ （５） ４８３ 管关断时，两端电压被储能电容ｃ 和ｃ 电压箝 位，消除了电路寄生参数引起的高频振荡．在开关 通过二极管降压和电阻分压后，加到电流感应 比较器负极性端的为正弦波，从而使电感电流的包 络正弦化．此电感电流在 近正弦波，且与 趋于零时出现断续， 当电感电流经过输入滤波电路后，可使输入电流接 同频同相，从而达到功率因数 校正的目的．在实际电路中，为了稳定输出电压，还 管关断时，由于变压器励磁电流减小到零，开关管 端电压降到到原来一半，验证了分析工作原理的正 确性． 需实行闭环控制．由于ＵＣ３８４２的电压比较器ＯＰ２ 已作它用，因此又加了一个比较器来替代． 如图３所示，加到ＯＰ１正端的１．８Ｖ参考电压是 通过将ＵＣ３８４２的５Ｖ基准电压分压得到的；后加的 用来替代ＵＣ３８４２内部电压比较器的参考电压 也是通过ＵＣ３８４２的５Ｖ基准电压分压得到，为２． ５Ｖ．加到ＯＰ１负端的正弦波是通过将整流电压分压 得到．为了提高５Ｖ输出的精确性，电路用ｐｃ８１７光 耦进行电压采样来精确稳压． ２ Ｂｏｏｓｔ电感 的设计 为了提高输入功率因数，Ｂｏｏｓｔ电感必须工作 于ＤＣＭ状态．Ｂｏｏｓｔ电感工作在ＤＣＭ状态下的条件 为： ＜Ｄ・（１一Ｄ）＜ 卜 （８） Ｂｏｏｓｔ电路的等效负载为： ：（ ） ・Ｒ （９） 将式（９）代入式（８）可得： ・簪・Ｒ （１０） 其中， ＝５０ｋＨｚ，Ｄ＝Ｏ．４．在满载情况下，要 使变换器工作于ＤＣＭ状态，Ｂｏｏｓｔ电感 应小于 ２．４ｍＨ． ３ 实验结果 在仿真的基础上，研制了一台输出容量１３０Ｗ 的单级ＰＦＣ变换器装置，其输入ＡＣ为２２０Ｖ± １０％，输出ＤＣ为５Ｖ，１２Ａ；±１２Ｖ，３Ａ．变压器原副边 的匝数为：Ｎ１：Ｎ２＝４４，Ｎ３＝２２，Ｎ４＝Ｎ５＝２０， Ｎ６＝ｌ０．图４为实验得到的已整流的电压波形和 流过电感的电流波形．从图中可以看出，电流波形 和电压波形同相位，且同为正弦波，因此得到较高 的功率因数．图５为开关管两端的电压波形．开关 ：’ ：’ ’：。’ 咖 ５ｏ．０ｖ；２ 图４实验得到的输入电压波形和电流波形 皿 －０■・一 ｛ ｛ Ｉ一 ～ Ｌ ‘｛。 士 ’’’一 … 咖 １咖．０ ４ ００１ Ｉ Ｓ 图５开关管两端的电压渡彤 ４结 论 本文提出一种新型高功率因数ＡＣ—ＤＣ变换 器，来解决个人电脑的广泛使用给电网带来的谐波 污染问题．与实现功率因数校正的集成芯片相比， 此变换器的控制电路采用加法器代替乘法器，从而 降低了成本．文中分析了电路的工作原理，并给出 了实验结果，验证了理论分析的正确性． 参考文献： ［１］刘胜利，严仰光．现代高频开关电源实用技术［Ｍ］．北京：电子 工业出版社，２００１． ［２］Ｓｈｉｇｕｏ ，Ｗｅｉｈｏｎｇ Ｑｉｕ．Ｆｌｙｂｏｏｓｔ Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ ｃ０ｍｃｔｉ０ｎ Ｃｅｌｌ ａｎｄ ８ Ｎｅｗ Ｆａｍｉｌｙ ｏｆ Ｓｉ ｅ—Ｓｔａｇｅ ＡＣ—ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ［Ｊ］．ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣｎＯＮＳ ＯＮ ＰＯＷＥＲ ＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，ＶＯＬ．２０，ＮＯ．１， ＪＡＮＵＡＲＹ ２（Ｘ）５． ［３］王纪周．单级功率校正技术的研究［Ｄ］．杭州：浙江大学． ２ＯＯ５． ［４］林渭勋．现代电力电子电路［Ｍ］．杭州：浙江大学出版社． ２０Ｏ２． （下转４８６页） 维普资讯 http://www.cqvip.com
佳木斯大学学报（自然科学版） ２ｏｏ７年 Ｂａｓｉｃ ６．０的文件调用功能和绘图功能可绘制出相 应参数的曲线． 参考文献： ［Ｉ］马忠梅，籍顺心，张凯，马岩．单片机的Ｃ语言应用程序设计 ［Ｍ］．北京：北京航空航天大学出版社，１９９８． ［２］谭浩强．Ｃ程序设计（第二版）［Ｍ］．北京：清华大学出版社． １９９９． ４结论 本检测仪主要应用于生产小灵通基站直流远 供电源模块的企业用于产品的出厂检测．通过长期 的实践应用，证明本检测仪能够精确测得电源模块 的参数，可以长时间安全稳定运行． ［３］天津市计算机学会单片机分会．２００３年全国单片机及嵌人式 系统学术年会论文集（上册）．２００３． ［４］张培仁．基于Ｃ语言编程ＭＣＳ一５１单片机原理与应用［Ｍ］．北 京：清华大学出版社，２００２． Ｔｈｅ Ｄｅｓｉ ｏｆ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｍｕｌｔｉ—ｍｅａｓｍ＇ｅｍｅｎｔ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｏｆ ＤＣ Ｒｅｍｏｔｅ Ｒｅｓｅｒｖｅ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ Ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ＰＡＳ Ｃｄｌ Ｓｔａｔｉｏｎ ＸＵＡＮ Ｚｉ—ｙｕ ，ＺＨＡＮＧ Ｙｕ一 ｎｇ （１．Ｎｏｒｔｈｅａｓｔ Ａｇｒｌｃ￣ａｗｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｒｂｉｎ １５００３０，ＯＩＥ［１ａ；２．Ｊ 咖 Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊ．咖呲 １５４００７，ｃｈ￣ａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ： Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＴ８９Ｃ５１ ｍｉｃｒｏ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ，ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｃｒｉｂｅｓ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈａｒｄｗａｒｅ ａｎｄ ｓｏｆｔｗａｒｅ ｏｆ ｍｕｌｔｉ—ｐａｒａｍｅｔｅｒ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｏｆ ＤＣ ｒｅｍｏｔｅ ｒｅｓｅｒｖｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｍｏｄｕｌｅ ｏｆ ＰＡＳ ｃｅｌｌ ｓｔａｔｉｏｎ．Ｔｈｉｓ ｍｅａ－ ｓｕｒｅｍｅｎｔ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ ｃａｎ ｐｒｅｃｉｓｅｌｙ ｃｏｌｌｅｃｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ Ｉｎｐｕｔ ａｎｄ Ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅｓ ａｎｄ ｃｕｒｒｅｎｔｓ ｏｆ ＤＣ ｒｅｍｏｔｅ ｒｅｓｅｒｖｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｍｏｄｕｌｅ，ａｎｄ ｃａｌｃｕｌａｔｅ ｉｔｓ ｐｏｗｅｒ ａｎｄ ｅｆｉｆｃｉｅｎｃｙ．Ｔｈｉｓ ｓｙｓｔｅｍ Ｃａｎ ｌｓｏ ｄｅｓａｃｒｉｂｅ ｎｄ ａｄｒａｗ ｐｉｃｔｕｒｅｓ ｏｆ ｅｖｅｒｙ 哦咐 ，ａｎｄ ｓａｖｅ ｎｄ ｐｒａｉｎｔ ｔｈｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｄａｔａ ｂｙ ｏｍｍｕｎｉｃｃａｔｉｎｇ ｗｉｈ ｔｔｈｅ ｃｏｍｐｕｔｅｒ． ｉｎｓｔｍｎ￣ｎｔ；ｓｉｎｇｌｅ—ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： Ｉ３Ｃ ｒｅｍｏｔｅ ｒｅｓｅｒｖｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ＰＡＳ ｃｅｌｌ ｓｔａｔｉｏｎ；ｎ ａｓｌ 皿ｅｎ （上接鸽３页） Ａ Ｎｅｗ Ｓｉｎｇｌｅ—Ｓｔａｇｅ ＨｉｇｌＩ Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ ＡＣ—ＤＣ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ＺＨＡＯ Ｚｈｅｎ—ｍｉｎ， ＺＨＵＡＮＧ Ｑｉ—ｃｈａｏ， ＺＨＡＮＧ Ｗｅｉ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆＥｌｅｃｔｒｉｃａｌ ａｎｄ Ｌｎｆｏｍｍｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｅ￣ｏｎｅ．ｊｌａｎｇＩｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＳｄｅｍ￣ｅ ａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｒｂｉｎ１５００２７，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｎｏｖｅｌ ｓｉｎｇｌｅ—ｓｔａｇｅ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ＡＣ—ＤＣ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｗｈｉｃｈ Ｃａｌｌ ｒｅｄｕｃｅｓ ｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｔｃ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｉｃ ｎｅｔｗｏｒｋ ｔａｋｅｎ ｂｙ ｐｅｒｓｏｎａｌ ｃｏｍｐｕｔｅｒ．Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｈＪ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ａｎｄ ｌｏｗ ｔｈｅ ｃｏｓｔ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｕｓｅｓ ａｄｄｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｎｓｔｅａｄ ｏｆ ｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ；Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｄｏｐｔｓ ｔｈｅ ｗａｙ ｔｈａｔ ｃｈａｒｇｅｓ ｔｈｅ ｃａｐａｃ－ ｉｔｏｒ ｉｎ ｌｉｎｅ ａｎｄ ｄｉｓｃｈａｒｇｅｓ ｔｈｅ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｐａｒａｌｌｅｌ，ｗｈｉｃｈ ｒｅｄｕｃｅｓ ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔ ｏｎ ｃａｐａｃｉｔｏｒ ｗｈｅｎ ｔｈｅ ｌｏａｄ ｃｈａｎｇｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ－ ｌｙ．Ｔｈｅ ａｒｔｉｃｌｅ ａｎａｌｙｓｅｓ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ｏｆｔｈｉｓ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｅｎｕｍｅｒａｔｅｓ ｔｈｅ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｓｔｔｈａｔ ｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｏｆ ｈｅ ｔｔｈｅｏｒｙ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ： ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｏｗｅｒ ｐｆａｃｔｏｒ ｓｉｎｇｌｅ—ｓｔａｇｅ ＰＦＣ
