姜艷秋， 王 葳， 張華威

（1.黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，哈爾濱150022；2.黑龍江科技大學理學院，哈爾濱150022）

APFC技術(shù)在AC/DC變換器中的應用

姜艷秋1， 王 葳2， 張華威1

（1.黑龍江科技大學電氣與控制工程學院，哈爾濱150022；2.黑龍江科技大學理學院，哈爾濱150022）

為了不斷提高開關電源的性能，保障用電系統(tǒng)的安全性，采用有源功率因數(shù)校正（APFC）方法，設計并制作了單相AC/DC變換器。對系統(tǒng)進行實物制作和測試，測得輸入交流20、24和30 V電壓下的系統(tǒng)效率。結(jié)果表明：系統(tǒng)無論是滿載還是輕載，電源效率均達到85%以上，與以往單相AC/AD變換器相比，該系統(tǒng)控制靈活，體積小，功率因數(shù)高，效率高，極大地提高了用電系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性。

開關電源；APFC；Buck電路；STM8S207RB

開關電源是所有用電系統(tǒng)中必不可少的重要設備之一。隨著用電系統(tǒng)的不斷增多，提高開關電源的性能顯得尤為重要。筆者以意法半導體公司生產(chǎn)的控制芯片STM8S207RB為微處理器，采用APFC的方法［1］，試圖設計制作高性能的AC/DC變換器，達到系統(tǒng)效率高、性能好，穩(wěn)定性強的目的。

1　工作原理

系統(tǒng)主要由整流電路、Boost型APFC電路、Buck型降壓電路、PWM信號產(chǎn)生電路、驅(qū)動電路和微處理器等構(gòu)成，見圖1。輸入市電通過自耦變壓器變壓后得到24 V交流電壓，經(jīng)不可控整流橋整流，先后進行了有源功率因數(shù)校正電路和Buck型降壓電路兩級變換，最后輸出穩(wěn)定的24 V直流電壓。同時，系統(tǒng)具有過流保護自啟動功能，當輸出電流過大時，自動斷電停止工作，5 s后，重新重啟。STM8S207RB微處理器通過電壓電流采樣電路進行內(nèi)部的A/D轉(zhuǎn)換，由數(shù)碼管顯示電流電壓值，觀察方便［2］。

系統(tǒng)中有源功率因數(shù)校正（APFC）是核心部分，其結(jié)構(gòu)是在整流器與輸出電容器之間串聯(lián)有源功率控制器，使AC/DC變換器的輸入電流和輸入電壓為同頻同相的正弦波，從而功率因數(shù)接近1，且輸出電壓穩(wěn)定。APFC按主電路拓撲結(jié)構(gòu)來劃分，可分為Buck型、Boost型以及Buck-Boost型拓撲等。

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 System structure diagram

2　系統(tǒng)設計

2.1Boost型APFC模塊

圖2　Boost型APFC的硬件電路Fig.2 Boost APFC hardware circuit

APFC模塊主要由主電路和控制電路組成，如圖2所示。主電路采用Boost型拓撲結(jié)構(gòu)的變換器進行升壓，控制電路主要由MC34261功率因數(shù)控制器以及對應的外圍電路組成［3-8］。將市電AC220 V經(jīng)過自耦變壓器變壓后，主電路的輸入電壓為AC24 V，通過整流橋進行整流后，最后通過Boost型拓撲結(jié)構(gòu)變換到預想的電壓值?？刂齐娐返尿?qū)動信號由電阻進行分壓，分壓值反饋到MC34261的電壓誤差放大器進行放大，其輸出值作為內(nèi)部乘法器的一個輸入端，另一個輸入端則為電網(wǎng)電壓波形的反饋值，經(jīng)過乘法器放大的波形輸出后與電感電流進行內(nèi)部的誤差放大器相比較，最終輸出信號驅(qū)動MOSFET管BUK7520-100A，使電路輸出為穩(wěn)定的DC90 V，且功率因數(shù)PF為0.96。圖2中ABCD分別為輸出兩端和連接過流保護自啟動電路的繼電器常閉的兩端［9-10］。

2.2Buck型降壓電路

Buck型降壓電路主要由主電路和控制電路組成，如圖3所示。主電路采用Buck型拓撲進行降壓，控制電路由SG3525PWM控制芯片及對應的外圍電路組成［11-12］。主電路的輸入電壓為直流電壓90 V，通過由MOSFET管、電感器、二極管組成的Buck型拓撲變換到預想的電壓值。控制電路的驅(qū)動信號由電阻進行分壓，分壓值反饋到SG3525的內(nèi)部誤差放大器的反相端進行放大，誤差放大器輸出的值與組成的振蕩電路進行比較，因此輸出不同占空比的PWM驅(qū)動信號驅(qū)動MOSFET管BUK7520-100 A，輸出穩(wěn)定的DC24 V，其中11腳和14腳分別輸出一路互補的PWM方波。為了解決MOSFET管的源級與控制電路不共地的問題，加入了驅(qū)動變壓器隔離，增加了驅(qū)動MOSFET管的能力，圖3中AB為一級變換Boost型APFC電路的輸出兩端。

圖3　Buck變換器的硬件電路Fig.3 Buck converter hardware circuit

3　測試結(jié)果

對系統(tǒng)進行實物制作和調(diào)試，測得輸入交流20、24和30 V電壓下的系統(tǒng)效率，數(shù)據(jù)見表1。從表1中數(shù)據(jù)分析可知，系統(tǒng)無論滿載還是輕載，電源效率均超過了85%，最高達88.29%。系統(tǒng)主要波形測試結(jié)果如圖4所示，其中，圖4a為MC34261的輸出波形，用示波器通道1測試，探頭設置為×1，該波形驅(qū)動Boost型APFC電路的MOSFET，因此，波形為方波；高電平時MOSFET管導通，低電平時MOSFET管關閉。圖4b為SG3525芯片11腳和14腳的輸出波形，分別由示波器的通道1（探頭設置為×1）和通道2（探頭設置為×10）測試，幅值相同，為兩個互補的波形，并且存有一定的死區(qū)時間，防止直通，該設計將這兩個引腳分別連接到隔離變壓器的兩端來驅(qū)動BUCK電路MOSFET管。圖4c為輸入電流波形和整流后的電網(wǎng)電壓波形，兩波形基本接近于正弦波，兩波形的相位差為0，實現(xiàn)了功率因數(shù)校正的功能，且功率因數(shù)為1。

表1　電源效率測試數(shù)據(jù)Table 1 Power efficiency test data

圖4　系統(tǒng)測試結(jié)果Fig.4 System testing results

4　結(jié)束語

APFC技術(shù)在AC/AD變換器中應用效果良好。通過對系統(tǒng)的設計和制作，與以往單相AC/DC變換器相比，系統(tǒng)基于STM8S207RB的數(shù)字開關電源系統(tǒng)，方便地實現(xiàn)了APFC、DC/DC變換、信號的反饋和保護功能，簡化了系統(tǒng)的硬件設計。該系統(tǒng)效率高、功率因數(shù)高、保護自啟動性能好，充分地提高了用電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

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（編輯徐 巖）

Application of APFC technology in AC/DC converter

JIANG Yanqiu1， WANGWei2， ZHANG Huawei1
（1.School of Electrical&Control Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China；2.School of Sciences，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China）

This paper is an effort to improve the performance of switch power supply and ensure the safety of power system operation.This effort consists of designing and constructing the single phase AC/DC converter using active power factor correction（APFC）；performing physical production and testing of the system and measuring system efficiencies under the input voltage 30 V AC of20，and 24.Results show that the system working with full or light load exhibits power efficiency higher than 85 percent and boasts advantages，such as a greater control flexibility，smaller volume，higher power factor and higher efficiency，than the conventional single-phase AC/AD converter，with a consequent contribution to greatly improving the stability of power system and efficiency.

wwitching power supply；APFC；Buck circuit；STM8S207RB

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.05.023

TP212

2095-7262（2014）05-0543-03

A

2014-07-12

姜艷秋（1981-），女，黑龍江省富錦人，講師，碩士，研究方向：電氣自動化，E-mail：21841934@qq.com。