电动汽车动力电池充电系统功率部分_毕业论文(3)

功率因数校正原理

2功率因数校正原理

2.1功率因数的定义

功率因数(PF)定义为有功功率(P)与视在功率(S)的比值，用公式表示为:

PU1I1cos?I1cos?PF?????cos?SU1IRIR (2.1）

22?……?In式中:I1为输入电流基波有效值；IR为电网电流有效值,IR?I12?I2其中

I1,I2,??In为输入电流各次谐波有效值；U1为输入电压基波有效值；?为输入电流的

波形畸变因数；COS?为基波电压和基波电流的位移因数。

可见，功率因数由输入电流的波形畸变因数?以及基波电压和基波电流的位移因数

COS?决定。COS?越小，则设备的无功功率越大，设备利用率越低，导线和变压器绕组的损耗越大；?越小，表示设备输入电流谐波分量越大，将造成电流波形畸变，对电网造成污染，使功率因数降低，严重时会造成电子设备损坏。从上式可见，抑制谐波分量即可达到增大?，提高功率因数的目的。

电力负荷如电动机、变压器等，属于既有电阻又有电感的电感性负载。电感性负载的电压和电流的相量间存在着一个相位差，通常用相位角φ的余弦cosφ来表示。功率因数是反映电力用户用电设备合理使用状况、电能利用程度和用电管理水平的一项重要指标。 功率因数分为自然功率因数、瞬时功率因数和加权平均功率因数。

(1)自然功率因数：是指用电设备没有安装无功补偿设备时的功率因数，或者说用电设备本身所具有的功率因数。自然功率因数的高低主要取决于用电设备的负荷性质，电阻性负荷(白炽灯、电阻炉)的功率因数较高，等于1，而电感性负荷(电动机、电焊机)的功率因数比较低，都小于1。

(2)瞬时功率因数：是指在某一瞬间由功率因数表读出的功率因数。瞬时功率因数是随着用电设备的类型、负荷的大小和电压的高低而时刻在变化。

(3)加权平均功率因数：是指在一定时间段内功率因数的平均值。

图2.1 一般APFC原理框图

6

从图2.1可以看出APFC基本电路就是一种开关电源，但它与传统的开关电源的区别在于：DC/DC变换之前没有滤波电容，电压是全波整流器输出的半波正弦脉动电压，这个正弦半波脉动直流电压和整流器的输出电流与输出的负载电压都受到实时的检测与监控，其控制的结果是达到全波整流器输入功率因数近似为1。

2.2功率因数校正实现方法

由公式（2.1）可知，要提高功率因数有两个途径，即使输入电压，输入电流同相位；使输入电流正弦化。利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形，使输入电流波形呈纯正弦波，并且和输入电压同相位，此时整流器的负载可等效为纯电阻。

功率因数矫正电路分为有源和无源两类。无源校正电路通常由大容量的电感，电容组成。虽然无源功率因素校正电路得到的功率因数不如有源功率因素校正电路高，但仍然可以使功率因素提高到0.7~0.8，因而在小功率电源中被广泛采用。

2.3有源功率因数校正

2.3.1有源功率因数校正定义

所谓功率因数校正(PFC)，就是在整流电路与负载之间增加一个功率变换器，应用电流反馈技术，通过适当的控制方法不断调节输入电流，使其跟踪输入正弦波电压波形，将输入电流校正成与电网电压同相的正弦波，因而功率因数可提高到近似为1。由于该方案中应用了有源器件，故称为有源功率因数校正（APFC）。即对电路采取措施，使输入电流波形接近正弦波并与输入电压同相位，电流正弦化便使?=1，同相位就是因数cos?=1。

APFC技术的思路是，控制已整流后的电流， 使之在对滤波大电容充电之前能与整流后的电压波形相同， 从而避免形成电流脉冲，减小输入电流谐波,达到改善功率因数的目的。

2.3.2有源功率因数校正分类

有源功率因数校正分类按电路结构分为：降压式、升/降压式、反激式、升压式。 其中升压式为简单电流型控制，PF值高，总谐波失真小，效率高，适用于75W~2000W功率范围的应用场合，应用最为广泛。

按输入电流的控制原理分为：平均电流型（工作频率固定，输入电流连续）、滞后电流型、峰值电流型、电压控制型。下面就假设工作模式为CCM，来介绍一下三种方法的特点：

1.峰值电流法是检测峰值电流，采用恒定的开关电源工作频率，只有稳定的工作频率才能有效地、快速地检测出峰值电流，并将这一电流“削尖”、均化来控制开关管，对PWM进行调节，使输入电流波形与输入电压保持同步，从而提高功率因数。由于输入电流

7

被“削尖”，在电路上对输入电流波形需要进行斜率补偿。

2.滞环电流法是检测APFC电路中电感上的电流，当电感电流达到一定值时，开关管开始导通；电感电流下降到一定值时，开关管陡然截止，它的控制方式是利用工作频率改变来控制开关管的导通和截止。一般设计输出滤波电路时，按最低工作频率考虑，所以，开关电源的体积和重量是最小的，工作损耗最小。

3.平均电流法是开关电源和电子镇流器对有源功率因数校正用得最多的一种方法。THD值小，对噪声不敏感，电感电流峰值与平均值之间的误差小，具有恒定的工作频率，可以任意拓扑各种控制电路，输入电压可以随便调节。这中方法的缺点是控制电路比较复杂，需要增添电流误差放大器。

4.电压控制法是中间直流环节的储能元件采用大电容，负载的无功功率将由它来缓冲，直流电压比较平稳，直流电源内阻较小，相当于电压源，故称电压型变频器，常选用于负载电压变化较大的场合。工作频率固定，电流不连续。

图2.2 几种控制方法的输入电流波形图

8

系统硬件设计

3 系统硬件设计

1 充电系统功率部分总体结构设计

交流输入 ICE2PCS01 FAN7390驱动 保护电路 电压，电流温度检测 EMI 滤波 整流滤波 电路 APFC 电路 半桥电路 整流滤波 电路 动力电池 光耦隔离 SG3525双路PWM波生成 电压电流反馈 图3.1 充电系统总体结构流程框图

如图3.1整个电路采用了AC/DC DC/DC的设计结构, 首先是220V的交流市电经EMI

滤波、APFC校正电路变为380V的直流, 然后经DC/DC半桥变换及相应的控制电路, 保证输出电流电压满足充电电池的需求。其中PFC控制电路主要由MOSFET管、Boost升压电感、控制芯片ICE2PCS01以及直流滤波电容组成。DC/DC变换采用半桥式拓扑, 主要由高频变压器、MOSFET管以及LC滤波电路组成。控制部分通过对蓄电池端电压、电流信号的采集反馈, 由SG3525产生双路PWM波控制半桥拓扑中MOSFET管的通断时间来控制充电电流和电压。

3.2 Boost有源功率因数校正电路的设计

3.2.1 BOOST变换器的工作原理和控制方式

Boost PFC电路是现在应用最广泛的有源功率因数校正电路，主电路由不控整流电路、电感、开关管和滤波电容组成。其输入侧有储能电感可以减小输入电流纹波，防止电网对主电路高频瞬态冲击，对整流器呈现电流源负载特性；其输出侧有滤波电容可以减小输出电压纹波，对负载呈现电压源特性。PFC电路主要完成两项任务：(1)控制电感电流，使输

9

入电流正弦化保证其失真因数接近于1，并使输入电流基波跟随输入电压相位；(2)控制输出电压，使输出电压保持恒定。在连续模式时采用两个控制环，电压环是外环，采样输出电压，保持输出电压恒定；电流环是内环，采样电感电流，迫使电感电流跟踪电流给定，减小输入电流谐波。

Boost变换电路组成如图3.2所示。Boost变换器的电感Lf在输入侧，一般称之为升压电感。开关管Q仍为PWM控制方式，但它的最大占空比Dy必须限制，不允许在Dy?1情况下工作，Boost变换器有两种基本的工作方式，一种是电感电流连续工作方式(CCM)，另一种是电感电流断续工作方式(DCM)。本方案采用的是电感电流连续工作方式。

LfiLfDicfCfio+UinQ-RLd+U0- 图3.2 Boost变换器的电路图

当电路中的电感电流工作在连续模式下，Boost变换器存在两种开关模式，如下图3.3(a)和(b)所示，同时图3.4给出了Boost变换器在电感电流连续模式(CCM)下工作的主要波形图。

LfiLUinDSCfRLdLfiLDSCfRLd+UoUin+Uo--

(a) 图 3.3 不同开关模式下的等效电路

(b)10

百度搜索“77cn”或“免费范文网”即可找到本站免费阅读全部范文。收藏本站方便下次阅读，免费范文网，提供经典小说综合文库电动汽车动力电池充电系统功率部分_毕业论文(3)在线全文阅读。