謝 正

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

開關(guān)電源因效率高、成本低，而在各個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛應(yīng)用。但是采用傳統(tǒng)的非控整流開關(guān)電源，輸入端有整流元件和濾波電容，輸入阻抗呈容性，網(wǎng)側(cè)輸入電壓和輸入電流間存在較大相位差，加上輸入電流嚴(yán)重非正弦，故功率因數(shù)極低，諧波分量很高，給電力系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重的諧波污染。采用有源功率校正技術(shù)后電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可提高到0.95～0.99，既治理了電網(wǎng)的諧波污染，又提高了開關(guān)電源的整體效率［1］。

有源功率因數(shù)校正(Active Power Factor Correction，APFC)是在整流器和負(fù)載之間接入開關(guān)變換器，應(yīng)用電流反饋技術(shù)，使輸入電流波形跟蹤正弦電壓波形，迫使輸入電流接近正弦波。按照電路中的電感電流工作狀態(tài)，APFC電路可分為3種類型:連續(xù)導(dǎo)電模式、斷續(xù)導(dǎo)電模式和臨界導(dǎo)電模式。其中，臨界導(dǎo)電模式介于連續(xù)和斷續(xù)之間，具有功率因數(shù)高、功率開關(guān)管零電流導(dǎo)通、功率二極管損耗小、控制電路簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)［2］。臨界導(dǎo)電模式功率因數(shù)校正技術(shù)正逐步應(yīng)用于中、小功率設(shè)備的功率因數(shù)校正環(huán)節(jié)中。

1 電路結(jié)構(gòu)與基本原理

理論上任何一種開關(guān)變換器的拓?fù)涠伎梢杂脕韺?shí)現(xiàn)接近于1的高功率因數(shù)。但在實(shí)際應(yīng)用中最普遍使用的是Boost變換器，它有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn):(1)電路器件少，經(jīng)濟(jì)性強(qiáng);(2)電感位于整流橋與開關(guān)管之間，輸入電壓的di/dt很小，輸入端的噪音低;(3)功率開關(guān)管源端對(duì)地，易于驅(qū)動(dòng)。

Boost有源功率因數(shù)的基本電路結(jié)構(gòu)，如圖1所示。其主電路由單相橋式整流器和DC-DC Boost變換器組成;功率開關(guān)由控制電路控制，工作在高頻通斷狀態(tài)。其控制電路包括電壓反饋和電流反饋信號(hào)，具體工作過程如下:主回路的輸出電壓Uo和基準(zhǔn)電壓Uref比較后，輸入給電壓誤差放大器(VA);整流電壓檢測(cè)值Uk和輸出電壓信號(hào)Uerr共同加到乘法器的輸入端，乘法器的輸出作為電流反饋控制的基準(zhǔn)信號(hào);電流誤差放大器(CA)的輸出與電感零電流檢測(cè)器的輸出作為開關(guān)管Q1驅(qū)動(dòng)器的輸入信號(hào)，控制開關(guān)管的開通和關(guān)斷，保證電感電流的峰值跟蹤整流電壓，從而使輸入電流(電感電流的平均值)與輸入電壓的波形基本一致，提高輸入端功率因數(shù)，降低電流畸變程度［3］。由于電感零電流檢測(cè)器的引入，開關(guān)管只能在電感電流下降為零時(shí)開通，Boost電路工作在介于斷續(xù)導(dǎo)電模式和連續(xù)導(dǎo)電模式之間的臨界導(dǎo)通模式［4］。這樣，一方面降低了D2關(guān)斷時(shí)反向恢復(fù)電流對(duì)開關(guān)管的沖擊作用;另一方面將輸入電流限定為電感電流峰值的1/2。

圖1 Boost有源功率因數(shù)校正電路結(jié)構(gòu)

2 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)時(shí)需考慮電網(wǎng)電壓的實(shí)際波動(dòng)，一般要求用寬輸入范圍(170 V～260 V)的功率因數(shù)校正電路。

2.1 升壓電感器的設(shè)計(jì)

在圖1中，L的初級(jí)線圈Lp是APFC預(yù)調(diào)整器的升壓電感，即Boost電路的主電感。L的次級(jí)線圈Ls的作用:一是作為零電流檢測(cè)傳感器;二是為功率因數(shù)校正芯片提供工作所需的直流電源。因此，升壓電感器的設(shè)計(jì)是APFC電路中的關(guān)鍵。

首先，確定Lp的值。對(duì)于工作在臨界導(dǎo)通模式的APFC電路來說，Lp電感量的確定原則是保證功率開關(guān)管的最低開關(guān)頻率大于芯片所能輸出的最小驅(qū)動(dòng)頻率。根據(jù)前面的分析，在交流電源的每一個(gè)半波內(nèi)，功率開關(guān)管的開關(guān)周期，可用式(1)表示

從而可得到功率開關(guān)管的開關(guān)頻率

式中:Uinrms為輸入電網(wǎng)電壓有效值;Lp為升壓電感值;Po為輸出功率;θ為0～π。

由式(2)可知，當(dāng)θ=π/2時(shí)，fsw(θ)的值最小。因此，最小開關(guān)頻率fswmin(θ)可以表示為

令

則電網(wǎng)電壓Uinrms和負(fù)載功率Po在一定范圍內(nèi)波動(dòng)時(shí)，A的圖形如圖2所示。

圖2 A與電網(wǎng)電壓Uin rms和負(fù)載功率Po的關(guān)系

從圖2中可以看出，電網(wǎng)電壓Uinrms和負(fù)載功率Po都為最大時(shí)，A的值最小，因此

式中:Pomax為最大輸出功率;Uinrmsmax為最大電網(wǎng)電壓有效值。

一般取fswmin(θ)=20 kHz，計(jì)算得出L=207，實(shí)際設(shè)計(jì)取 L=210 μH。

為了實(shí)現(xiàn)零電流檢測(cè)功能，初級(jí)線圈Lp和次級(jí)線圈Ls的匝數(shù)比m應(yīng)滿足關(guān)系式(5)

式中:M為MC33262芯片資料推薦的保證零電壓檢測(cè)電路正常工作的正向邊緣電壓閾值，其推薦值為1.6。

次級(jí)線圈Ls除了實(shí)現(xiàn)零電流功能外，還要為芯片MC33262提供電源，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)取該線圈的匝數(shù)為原邊繞組的1/4。

2.2 乘法器電阻的選擇

電網(wǎng)電壓經(jīng)全波整流，通過 R1和 R2分壓，被MC33262的③腳檢測(cè)，③腳輸入電壓Vk的最大值被限制在3 V，因此

取 R1=1.36 MΩ，則 R2≈10 kΩ。

2.3 電感電流取樣電阻的選擇

乘法器的輸出Umo決定Ucs(MC33262的④腳)的輸入門限電壓，④腳的輸入電壓不能超過1.4 V，一般取Ucs=1 V?？紤]到電網(wǎng)電壓和負(fù)載的波動(dòng)情況，取樣電阻R3的值可以通過式(7)計(jì)算

一般 R3取0.2 Ω。

2.4 誤差放大器外接元件的選擇

誤差放大器偏置電阻R4、R5和輸出電壓Ubus存在如下關(guān)系

式中:Uref為芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(2.5 V)。取R4=1 MΩ，則 R5≈6.2 kΩ。

誤差放大器輸出對(duì)地電容C1用作抑制APFC升壓變換器輸出電壓紋波。設(shè)跨導(dǎo)型誤差放大器導(dǎo)抗gm=100 μmhos，帶寬 BW=20 Hz ～30 Hz，則 C1可利用下式求出

實(shí)際應(yīng)用中 C1取 0.68 μF。

2.5 輸出電容的設(shè)計(jì)

輸出電容的選擇取決于額定輸出電壓、最大允許過電壓、輸出功率和輸出電壓紋波?；倦娙葜禐?/p>

式中:ωo為紋波電壓的角頻率;Io為輸出電流;ΔUo為紋波電壓值，一般為輸出電壓的1% ～5%。

輸出電容的耐壓值要超過控制電路過壓保護(hù)的電壓值，高頻等效串聯(lián)電阻要小，溫度范圍要寬，而實(shí)際選取電容量為470 μF，耐壓值為450 V。

2.6 控制芯片的選擇

控制電路的參數(shù)設(shè)計(jì)對(duì)于滿足寬輸入輸出范圍的功率因數(shù)校正的設(shè)計(jì)要求極為重要。設(shè)計(jì)的目標(biāo)不僅在于確保帶寬足夠窄以達(dá)到高功率因數(shù)，而且要保證一定的相角才可以使系統(tǒng)在大范圍內(nèi)穩(wěn)定。

目前，市場(chǎng)上有很多基于臨界導(dǎo)電模式設(shè)計(jì)的APFC集成芯片。用MC33262作為控制器的APFC升壓式功率因數(shù)校正電路如圖3所示。控制芯片采用恒導(dǎo)通時(shí)間控制技術(shù)的乘法器方式，其誤差放大器是跨導(dǎo)型的［5］。

圖3 用MC33262設(shè)計(jì)的APFC升壓式變換器

3 電路試驗(yàn)結(jié)果

圖4所示為輸入電壓分別為170 V和260 V時(shí)的輸入電壓電流波形，從圖中可見APFC電路使輸入電流能很好的跟蹤輸入電壓，有很好的平滑度，實(shí)測(cè)功率因數(shù)達(dá)到 0.99。

圖4 輸入電壓不同時(shí)輸入電壓電流波形

圖5所示波形是APFC電路輸出直流母線電壓的上電響應(yīng)和電壓紋波。從圖中可以看出，輸出直流母線電壓紋波的峰值為12 V左右。圖6給出了APFC主電感上的工作電流波形，所用電流采樣電阻為0.2 Ω，從圖中可以看出，此時(shí)電路工作在臨界電流狀態(tài)。

圖5 直流母線電壓的上電響應(yīng)和紋波

圖6 APFC主電感電流試驗(yàn)波形

4 結(jié)束語

本文從分析臨界導(dǎo)電模式Boost功率因數(shù)校正電路的本質(zhì)出發(fā)，利用經(jīng)典控制理論，綜合分析了各種常用的臨界導(dǎo)電模式Boost功率因數(shù)校正電路集成芯片，為合理設(shè)計(jì)電路參數(shù)提供了依據(jù)，總結(jié)了實(shí)用的電路參數(shù)設(shè)計(jì)方法，并用實(shí)驗(yàn)證實(shí)了設(shè)計(jì)方法的實(shí)用性。

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