一种基于功率因数校正技术的高效型反激式开关稳压电源系统的研制

摘要

随着电子信息产业技术的飞速发展，开关电源电力电子装置得到了广泛的应用，同时这种传统开关电源也对电网造成了污染，由此具有功率因数校正( PowerFactor Correction, PFC)功能的低电磁污染型“绿色电源”也就应运而生。随着人们对电源质量的更高要求，高效型、体积小和污染低的开关电源已成为研发的主流技术，因此尽可能地提高DC/DC变换效率，再利用同步整流技术可以使开关电源效率大大提高。本文将PFC技术、准谐振DC/DC变换与同步整流技术相结合，设计出一款低磁污染的开关电源，既保证了较高的功率因数，改善了对电网的影响，又能保证高效率，且控制简单，可靠实用，因而具有一定的应用价值。
　　 本文首先阐述了开关电源、功率因数校正技术和同步整流技术的发展及现状，对DC/DC变换的拓扑结构进行了选择，确定了带有隔离的准谐振(Quasi-Resonant)反激型电路，可以有效地降低损耗：接着本文对几种常见的PFC拓扑电路进行分析对比，从中选择了BOOST型电路，对工作在临界状况下的电路进行了分析，采用跟随输入电压的升压变换新技术，减小了电感体积，同时降低了开关管的电压应力，既简单又有效地实现了功率因数校正，并发现此技术值得推广；由于反激型变换器的效率一般都较低，所以本文在传统同步整流技术基础上对其加以改进，设计出一种新颖、高效的同步整流方案。对于宽电压范围启动过冲问题，本位设计出一种防止过冲的启动控制电路。最后为降低电磁干扰( ElectromagneticInterference， EMI)，达到电磁兼容(Electromagnetic Compatibility, EMC)，特设计出开关电源电路输入端的EMI滤波电路。
　　 本文对整个电路拓扑建立小信号模型，进行了系统稳态性能分析，证明了电路系统的稳定性。文中对部分电路用OrCADPspiceA/D仿真软件进行了仿真，选取了元器件，制作样机进行了硬件调试，分析试验数据并与仿真波形对比，实验结果令人满意，实现了高功率因数，成功地做到PFC输出电压跟随输入电压升压控制，整机效率明显提高。文末提出了下一步工作的方向和目标。
　　 随着社会的发展及需求，新一代功率变换器必将向大功率、高功率因数、高效率、低损耗、低污染、小体积、高性能方向发展。通过本文的理论分析、电路仿真、电路设计和实验研究，结果表明，采用PFC技术、准谐振DC/DC变换和改进型同步整流技术，能够较好地满足上述性能要求。所以本研究工作既具有理论指导意义又有推广应用的价值。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 线性电源和开关电源的对比

1.1.1 线性电源

1.1.2 开关电源

1.2 开关电源发展概况

1.2.1 起源与发展

1.2.2 国内发展情况

1.2.3 目前面临的问题

1.3 开关电源的分类

1.4 功率因数校正技术的发展状况

1.4.1 功率因数校正的由来

1.4.2 谐波的危害及功率因数校正的意义

1.5 功率因数校正技术的分类

1.5.1 无源PFC技术

1.5.2 有源PFC技术

1.6 同步整流技术概况

1.6.1 同步整流技术的意义

1.6.2 同步整流技术的分类

1.7 本课题的内容和主要工作

第二章 有源功率因数校正电路

2.1 总体方案设计及技术指标

2.1.1 电气技术指标

2.1.2 总体方案设计

2.2 拓扑电路的选择

2.3 Boost变换器工作原理

2.4 CRM工作模式下APFC主电路结构框图

2.5 有源功率因数校正控制电路

2.5.1 控制芯片的选择

2.5.2 有源功率因数校正控制芯片TDA4863简介

2.6 有源功率因数校正电路的设计

2.6.1 有源功率因数校正主电路的设计

2.6.2 有源功率因数校正控制电路的设计

2.7 本章小结

第三章 二次变换设计

3.1 拓扑结构的选择

3.2 Flyback变换器的原理

3.3 Flyback变换器的控制芯片

3.3.1 控制芯片NCP1207

3.4 Flyback变换器主电路设计

3.4.1 变压器的设计

3.4.2 主开关管的选择

3.4.3 MOSFET的驱动和缓冲电路

3.4.4 输出滤波电路设计

3.4.5 控制芯片外围电路设计

3.4.6 电压反馈调节器

3.5 开关电源启动控制及吸收电路

3.5.1 启动控制电路设计

3.5.2 吸收电路参数计算

3.6 同步整流电路设计

3.6.1 MOSFET模型及损耗分析

3.6.2 电流驱动同步整流技术的工作原理

3.6.3 存在的问题及改善的方法

3.6.4 同步整流电路设计

3.7 下一步的研究目标

3.8 开关电源的电磁兼容性

3.8.1 EMI和EMC

3.8.2 EMI滤波器的设计

3.9 本章小结

第四章 开关电源的稳定性分析

4.1 频率分析法

4.1.1 对数稳定判据

4.1.2 稳定裕量的计算

4.2 具体电路的稳态分析

4.2.1 PFC变换系统的数学模型

4.2.2 DC/DC变换系统的数学模型

4.3 本章小结

第五章 整体稳压电源系统的仿真和实验结果分析

5.1 APFC电路仿真和实验结果及分析

5.1.1 仿真波形

5.1.2 实验波形

5.2 DC/DC电路仿真和实验结果及分析

5.2.1 仿真波形

5.2.2 实验波形

5.3 本章小结

第六章 总结

6.1 本文完成的主要工作

6.2 论文工作的总结

6.2.1 本论文中的一些创新点

6.2.2 论文中的一些不足

6.3 需要深入研究的问题

参考文献

致谢

发表论文和完成的主要项目

附录

附录1 业界常用的功率因数校正器芯片

附录2 电路原理图

附录3 整机正面视图

附录4 整机反面视图