汪定華

（中國電子科技集團(tuán)第四十一研究所，安徽 蚌埠233006）

0 引 言

隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，各種整流器和帶有整流器的電力電子裝置在各行各業(yè)中大量應(yīng)用。這種采用橋式整流和大電容濾波的電路系統(tǒng)［1］，輸入電網(wǎng)電流是上升和下降很陡的窄脈沖，電流波形發(fā)生嚴(yán)重畸變，電流諧波含量較高。這些電流脈沖的峰值很高，消耗功率并且產(chǎn)生更多的RFI/EMI問題。因此研制出諧波含量低，功率因數(shù)高，并具有較好穩(wěn)壓效果的PFC裝置具有很重要的意義。

1 升壓型APFC工作原理

為了補(bǔ)償由電力電子設(shè)備帶來的無功和諧波問題，有許多方法被提出，概括起來可分為無源補(bǔ)償和有源補(bǔ)償兩種方案［2］。無源補(bǔ)償?shù)幕驹硎抢秒娙萏峁┑某盁o功電流補(bǔ)償電網(wǎng)的滯后無功電流，利用電感、電容構(gòu)成的各次諧波濾波器，吸收除基波頻率以外的諧波。無源濾波器原理簡單，但是其電容器對無功的補(bǔ)償是固定的，對負(fù)載變化的適應(yīng)性差，濾波器的體積和質(zhì)量都相當(dāng)大。并且容易和系統(tǒng)發(fā)生諧振，使得濾波器過載甚至燒毀，其功率因數(shù)只能達(dá)到0.7～0.8。有源補(bǔ)償是采用功率開關(guān)器件和PWM控制技術(shù)，通過一定的控制策略使電網(wǎng)輸入端的電流波形逼近正弦波，并使其與輸人的電網(wǎng)電壓同相位。這種方法控制電路較為復(fù)雜，但可得到較高的功率因數(shù)，總諧波畸變較小，輸出電壓較為穩(wěn)定。

1.1 APFC工作模式

升壓轉(zhuǎn)換器是APFC應(yīng)用中最常見的拓?fù)?，即Boost變換電路。其電路結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)成本低，輸入側(cè)的儲能電感能減小輸入電流紋波，電路輸出側(cè)有濾波電容可以減小輸出電壓紋波，對負(fù)載呈現(xiàn)電壓源特性。

根據(jù)電感電流是否連續(xù)，APFC電路分為連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）、不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）和臨界導(dǎo)電模式（CRM）。其中CCM模式由于電感電流連續(xù)、紋波小、電磁干擾小和開關(guān)管電流應(yīng)力小等特點(diǎn)，適用于功率較大的應(yīng)用場合，但其需要比較大的PFC電感；DCM模式開關(guān)損耗較小，因為電流在下一個開關(guān)周期到來之前降為零；CRM模式在下一個周期開始之前電感電流將衰減為零，而且頻率隨著線路電壓和負(fù)載的變化而變化。其主要優(yōu)點(diǎn)是電流環(huán)路是穩(wěn)定的，而且不需要斜坡電壓補(bǔ)償［3］。

1.2 APFC工作原理

APFC工作原理框圖如圖1所示，基本原理如下：單相交流電經(jīng)過橋式整流后得到100 Hz/120 Hz的單相雙半波正弦電壓信號，然后對全波直流電壓進(jìn)行Boost變換。整流橋輸出電壓的檢測信號和電壓誤差放大器輸出信號的乘積產(chǎn)生基準(zhǔn)電流信號，此基準(zhǔn)電流信號與電感電流采樣信號經(jīng)電流誤差放大器比較放大后輸出，然后與鋸齒波比較，輸出PWM信號驅(qū)動開關(guān)管。當(dāng)開關(guān)管S導(dǎo)通，二極管D反向截止，輸入電壓通過整流橋后加在輸入電感L上，電感電流上升，上升速度與輸入電壓成正比；當(dāng)開關(guān)管S截止，D導(dǎo)通，電感L通過二極管給電容C充電［4］。

電路采用雙閉環(huán)控制方式，電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，以乘法器的輸出作為參考，直接控制升壓電感的平均電流。電壓環(huán)作為外環(huán)，可實(shí)現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。通過專用芯片控制開關(guān)管驅(qū)動脈沖，使輸入電流平均值自動跟蹤全波直流電壓，且保持輸出電壓穩(wěn)定，從而實(shí)現(xiàn)恒壓輸出和提高功率因數(shù)的目的。本文將對基于安森美NCP1654的PFC電源的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)的分析和設(shè)計。

2 電路設(shè)計及參數(shù)計算

2.1 NCP1654芯片介紹

NCP1654采用平均電流模式控制，電路設(shè)計元件少，低啟動電流，柵極驅(qū)動電流達(dá)到1.5 A，此芯片有三種開關(guān)頻率可選（65/133/200 kHz），考慮到 EMC 問題，本設(shè)計選用65 kHz芯片。同時芯片具有軟啟動，過電壓保護(hù)，欠電壓保護(hù)和過功率保護(hù)等功能。

圖1 APFC工作原理框圖

2.2 主電路設(shè)計

設(shè)計的主要指標(biāo)參數(shù)：交流輸入電壓為85～265 V，電網(wǎng)頻率47～63 Hz，直流輸出電壓為385 V，輸出功率600 W，功率因數(shù)大于0.99，變換器效率高于90%。采用NCP1654的PFC電源應(yīng)用電路如圖2所示。

圖2 NCP1654應(yīng)用電路

2.3 主要器件參數(shù)選擇及計算

2.3.1 開關(guān)管的選擇

電源最大輸出電壓為400 V，開關(guān)管最大實(shí)際漏源電流約為12 A，但實(shí)際電壓和電流有尖峰脈沖，電壓和電流取值要留一定余量。為了減小開關(guān)損耗和導(dǎo)電損耗，要選擇低柵極電荷、輸入電容小和Rds（on）小的MOSFET管。本文選擇SPP20N60C3開關(guān)管，其最大耐壓為650 V，最大導(dǎo)通電流為20 A，Rds＝0.19Ω，Ciss＝3000 pF。

2.3.2 續(xù)流二極管的選擇

PFC升壓電路采用Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因此續(xù)流二極管的選取非常重要。因為電路中輸出電容較大，續(xù)流二極管應(yīng)能承受電感的最大峰值電流、輸出電壓的最大反向電壓，并且反向恢復(fù)時間要盡量的短，時間長則開關(guān)損耗大。本文選擇MUR1660，其最大正向電流為16 A，反向耐壓為600 V，反向恢復(fù)時間最大60 ns。

2.3.3 輸出電容計算

輸出電容的設(shè)計要考慮三個因素：輸出電壓紋波、電流紋波和保持時間。計算公式如下：

式中，th為最大交流電周期（21.3 ms），輸出電壓最小值為330 V。通過計算取輸出電容值為680μF。

2.3.4 電流檢測電阻的計算

電流信號通過一個電阻（圖2中R15，此處選擇0.1Ω）得到一個負(fù)電壓，再連接一個電流檢測電阻（圖2中R7）到芯片的3腳。檢測電阻計算公式如下：

因為實(shí)際電感電流尖峰值要比計算峰值要高，本設(shè)計選擇R7為8.7 kΩ。

2.3.5 PFC電感計算及設(shè)計

理論上，要保證電流連續(xù)，電感值越大越好，只要保證磁芯不飽和就可以，但是電感量大，繞制電感的磁芯體積就越大。在此保證電流滿足要求的情況下設(shè)計電感，電感線圈峰值電流計算公式如下：

電感線圈有效值電流計算公式如下：

電感計算公式如下：

式中：I%為最大峰峰電流值與峰值最大電流值得比例（典型值取25%～45%，本設(shè)計取25%）；fs為開關(guān)頻率（65 kHz）；η為電源效率，取0.9。

通過計算，取電感值為300μH。電感設(shè)計采用AP法設(shè)計，公式如下：

式中：I＝Ipk（max）×（1＋0.1），即電感電流有效值加紋波電流值；Bw為磁芯工作磁感應(yīng)強(qiáng)度；K0為窗口使用系數(shù)；J為電流密度；

在本設(shè)計中，I＝12.2 A，Bw＝0.25 T，K0＝0.75，J＝600，計算得 AP＝3.97 cm4。根據(jù) AP值選擇磁芯，本文選擇PQ4040，其Aw＝2.25 cm2，Ae＝2.01 cm2，AP＝4.52＞3.97，滿足設(shè)計要求。選擇繞線為AWG＃16，其直徑為1.37 mm，加絕緣外皮Ax＝2.01 cm2。所需匝數(shù)計算公式如下：

式中：Aw為磁芯窗口面積；S1為可用窗口面積/窗口面積，此處S1取0.8；S2為n匝繞線之面積/可用窗口面積，取0.75。通過計算得N＝91.8，取N＝92匝。電感氣隙計算公式為：

通過計算得Ig＝2.3 mm。

3 測試結(jié)果與分析

圖3和圖4是樣機(jī)在輸入低壓和高壓情況下帶滿載情況下的電壓、電流波形。從圖中可以看出，在低輸入電壓情況下，電流波形跟蹤電壓波形很好，功率因數(shù)都大于0.99。在高輸入電壓情況下，電流波形跟蹤電壓波形稍差一點(diǎn)，電流失真度變大了。

圖3 Ui＝85 V，Uo＝384.2 V，PF＝0.999，THD＝4.6%

圖4 Ui＝230V，Uo＝384.8V，PF＝0.992，THD＝8.5%

當(dāng)電源的輸入交流電壓和負(fù)載電流在比較寬的范圍內(nèi)變化時，電源的輸出電壓能夠保持較高的穩(wěn)定性。利用NCP1654設(shè)計的開關(guān)電源具有外圍電路簡單、體積小、成本低廉、可靠性高的優(yōu)點(diǎn)，是帶PFC開關(guān)電源的一種比較理想的設(shè)計方案。

［1］ 陳 福，王 武，蔡逢煌.基于雙Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PFC策略研究［J］.通信電源技術(shù)，2011，28（3）：18－20.

［2］ 王兆安，楊 軍，劉進(jìn)軍.諧波抑制和無功功率補(bǔ)償［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

［3］ ON Semiconductor.Power Factor Correction（PFC）Handbook［Z］.2009.

［4］ Abraham I.Pressman，Keith Bollings，Taylor Morey著，王志強(qiáng)，肖文勛，虞 龍，等譯.開關(guān)電源設(shè)計（第三版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.