基于DSP全数字开关电源及功率因数校正器的设计

论文摘要

开关电源因其高效率和低成本在各个领域得到了广泛的应用。由于传统的开关电源功率因数较低,造成输入电流畸变严重,谐波分量高,对电网造成了严重的谐波污染,降低了电能的利用率。因此,提高功率因数是解决电力电子装置谐波污染,是提高电网可靠性和电能质量的有效途径。随着数字控制技术的不断发展,越来越多的控制策略通过数字信号处理器（DSP）得以实现。采用数字信号处理器实现功率因数校正（PFC）的数字化控制成为当前研究的热点。本文主要完成了基于DSP全数字大功率开关电源的设计,设计中采用PFC技术和软开关PWM技术以提高开关电源性能及功率因数,实现高效率、高精度、高集成度的开关电源。论文主要完成了如下工作内容：（1）移相控制DC/DC变换器设计与实现。本部分主要介绍了软开关技术的应用意义和基本原理,移相全桥软开关PWM DC/DC变换器的工作过程,以及高频变压器的设计。设计中采用由dsPIC33FJ16GS504的PWM外设插入死区时间,并通过由变压器的漏感和MOS管的结电容构成谐振的方法,实现了变换器主功率管工作在软开关状态的目的,减小了器件的开关应力和损耗,提高电源的效率。（2）同步整流设计与实现。本部分采用MOSFET来取代传统的二极管,驱动信号与全桥转换中的MOS同步,实现了输出+12V稳定电压的实验目的。同时使用倍流技术优化变压器和滤波电路的设计。通过电压反馈和电流反馈原理设计实现了恒压限流,使电路在保持稳定电压输出的同时限流特性明显。（3）系统的辅助电源网络和相应保护电路的设计与实现。包括+7V、+13V、+17V直流稳压电源,过温、过流、过压、欠压保护电路的设计与实现。（4）数字化功率因数校正器的设计与实现。采用基于升压式（Boost）电路拓扑结构,完成数字化功率因数校正器的设计方案,并且以数字信号处理器dsPIC33FJ16GS504为主控芯片,对电压、电流信号进行A/D采集。通过执行电压、电流控制环计算PWM波占空比,实现了固定开关频率（125KHz）下功率因数校正与输出电压恒定的控制。（5）实验测试。包括功率校正器性能及开关电源的出处测试。通过测试,输入电流具有与输入电压基本相同的波形形状,功率因数接近于1,基本达到功率校正器设计要求。当输入交流电压是260V,输入频率是45～65Hz时,用万用表测量开关电源三路输出电压分别是11.8V、3.1V及4.9V。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 开关电源的发展现状和趋势
• 1.2.1 开关电源及功率校验的发展现状
• 1.2.2 开关电源及功率校验的发展趋势
• 1.2.3 全数字开关电源及功率校正研究的意义
• 1.3 本文的主要工作
• 第2章 系统总体方案设计
• 2.1 开关稳压电源结构图及设计要求
• 2.1.1 开关稳压电源结构图
• 2.1.2 开关电源的主要设计内容
• 2.2 开关电源总体方案设计
• 2.2.1 DC/DC变换器的设计方案
• 2.2.2 整流器的拓扑结构的选择
• 2.2.3 整流器的拓扑结构
• 2.2.4 辅助功能部分分析
• 2.3 功率因数校正系统总体方案设计
• 2.3.1 PFC电路的拓扑结构选择
• 2.3.2 升压型（Boost）PFC电路分析
• 2.3.3 控制方案分析
• 第3章 系统硬件设计
• 3.1 开关电源硬件总体设计
• 3.1.1 移相全桥ZVS-PWM变换器的工作原理
• 3.1.2 DC/DC变换器主电路的设计
• 3.1.3 单相同步Buck变换器
• 3.1.4 三相同步Buck变换器
• 3.1.5 控制电路的设计
• 3.1.6 辅助电路设计
• 3.2 功率校正系统硬件设计
• 3.2.1 PFC系统的硬件设计总体框图
• 3.2.2 PFC系统主电路的设计
• 3.2.3 PFC系统控制电路的设计
• 3.2.4 PFC系统驱动电路的设计
• 第4章 系统软件设计
• 4.1 PFC系统控制方案
• 4.2 检测信号的定标
• 4.3 PWM波输出模式设定
• 4.4 A/D采样算法的改进
• 4.5 PI调节器设计
• 4.6 程序设计
• 第5章 系统测试与分析
• 第6章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢