CST软件如何对一个面上功率密度求积分
2025/12/23 17:07:54
摘 要
电源是现代社会不可或缺的能源之一，在人们的日常生活中，电源具有重要的作用。为了使电源的利用率变高，使电源工作在更高效率的状态，减少能源的损耗，产生了高功率因数电源。功率因数是电源设计技术的一个重要指标，本设计通过采用UCC28019作为主要控制芯片，主电路拓扑采用BOOST升压斩波电路，通过检测输入电压和输入电流进行调整，以达到大大提高功率因数的效果。
本设计包含BOOST升压斩波电路、UCC28019控制电路、保护电路、测量电路、辅助电源模块和STM32单片机模块等组成。传统的AC-DC电源设计的方法是使电网电压通过整流后采用电容滤波得到，这种方法会使电路产生大量的电流谐波和功率因数不高等缺点。本设计成功克服了以上的不足之处，使电源的交直变换的效率更高，也得到更高质量的电源。
关键词：功率因数； STM32单片机； Boost拓扑； UCC28019； 功率因数检测
2 系统方案论证
2.1 无源功率因数校正方案
无源功率因数校正的基本原理图如图2-1所示，工作的原理为在整流桥和滤波电容之间接入一个滤波电感，用来减缓电流的变化，从而减小电流波形的畸变，使输入电流波形能更接近于正弦波，同时也减小了电流谐波。L为电路的滤波电感[5]。
图2-1 无源功率因数校正原理图1
另一种方法如图2-2所示，在变压器二次侧并联接入LC滤波器，是变压器二次侧的输入电流谐波不进入交流电网，而是经过LC谐振滤波器的回路。其中L和C1为LC滤波器。
图2-2 无源功率因数校正原理图2
综上所述，无源功率因数校正的方案虽然十分简单方便，但对于元器件的要求较高，电源的成本较高，功率因数只能提升到0.8左右，电路中电流的谐波也不能很好的滤除干净，还是会造成比较大的影响。
2.2 有源功率因数校正方案
有源功率因数校正的方案为在整流桥和滤波电容之间添加一个有源的功率因数校正电路，有源功率因数校正的基本工作原理为：交流电源经过整流桥后进行DC-DC直流变换，通过功率因数校正电路采样整流桥后端的电压波形和电流波形，通过功率因数校正芯片的控制，使电流的波形跟随电压的波形。有源功率因数校正电路通常采用电压环和电流环对电路进行控制，电压环的主要作用为稳定后级输出的电压。电流环的主要作用为使输入电流波形跟随输入电压波形，让两者保持相位一致，从而达到提高功率因数的功能[6]。
为使功率因数提高，要保证两点：输入电流波形需要尽量与输出电压波形同相位，输入电流波形尽量为正弦波。一般功率因数校正的方法有模拟控制方案和数字控制方案两种。
2.3 方案选择
通过以上分析，由于无源功率因数校正的方法的功率因数提升不是特别高，输入电流的谐波仍然较高，输出电能质量不好。而有源功率因数校正的方法克服了以上的一些缺点，能输出较高质量的电能，电源的功率因数提高很多，故选择有源功率因数校正方案。
市场上有多种有源集成PFC芯片，如UC3854、UC3855、UCC28019.由于 UCC28019是TI公司新近推出的一种功率因数校正芯片，该芯片工作频率为65Khz,采用平均电流模式对功率因数进行校正，使输入电流的跟踪误差产生的畸变小于1％，实现了接近于l的功率因数。而且在UCC28019组成的PFC电路,外围电路比较简单，只调节一个放大器的补偿网络即可。故采用BOOST+UCC28019实现，本设计采用的UCC28019+BOOST方案属于模拟控制方案。
此方案的性能性能良好，成本较低。能满足题目的设计要求，在电路中能很好的完成功率因数的调整。
3 系统原理论证
3.1 系统框图
高功率因数电源是一种AC-DC变换的电源系统，此系统是有220V电网电压经过变压器后，再经过整流桥后变成直流，再给BOOST升压斩波电路的输入端，以此的到36V 稳压电源，由UCC28019对BOOST电路进行调整使其达到高功率因数的目的。此系统的主要电路有变压器、整流桥、BOOST电路、UCC28019控制电路、两个辅助电源、测相电路、STM32单片机模块。系统主要框图如图3-1。
图2-1 系统框图
3.2 UCC28019控制电路
UCC28019是TI公司设计的一块专用集成PFC控制器，采用平均电流模式对电路进行调节。此芯片的工作原理为：有源PFC由电感电容及电子元器件组成的，通过专用集成的PFC调节芯片去调整电流的波形，对输入电流与电压间的相位差进行补偿，使两者尽可能的接近。具体做法是在输入整流桥与滤波电容之间插入一个开关变换器线圈，以控制输入电流的波形跟随电网电压波形，使电源呈现阻性。从而使电流波形跟随电压波形，得到较高的功率因数，此芯片的工作频率为恒定的65KHZ，此芯片的外围电路图如图3-2所示[7]。
图2-2 UCC28019外围电路图
UCC28019是一款有源集成PFC芯片，外围电路简单，调节精度高。UCC28019的引脚图如图3-1所示。
图3-1 UCC29019引脚图
4 系统程序设计
4.1 系统程序框图
本设计的软件设计部分主要是对功率因数的测量与显示，通过单片机的控制调节系统输出电压，系统的软件设计可分为几个部分：功率因数检测部分。反馈控制部分，液晶显示部分等。系统的软件的流程框图如图4-1所示。
图4-1 系统软件的流程框图
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