徐 攀， 邱瑞昌， 柳宇航， 李智威

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044)

基于Boost拓?fù)涞碾p重PFC系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐 攀， 邱瑞昌， 柳宇航， 李智威

(北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京100044)

介紹了基于Boost拓?fù)涞墓β室驍?shù)校正技術(shù)原理、升壓電感的計(jì)算，給出了雙重Boost PFC的控制方案，設(shè)計(jì)了一種雙重Boost PFC系統(tǒng)。交錯(cuò)式雙重PFC，可以大大減小因高頻開關(guān)引起的電壓、電流紋波的輸出，降低電感、功率管的電流應(yīng)力以及濾波器的體積。

功率因數(shù)校正；雙重；電流應(yīng)力；紋波

近年來(lái)，由于電路中大量電感、電容非線性負(fù)載的接入和國(guó)際對(duì)電能質(zhì)量的規(guī)定，功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)越來(lái)越被廣泛應(yīng)用。而傳統(tǒng)的Boost PFC已無(wú)法滿足大功率和低紋波的要求，所以為了解決這一問題，提出Boost PFC的雙重化系統(tǒng)。

交錯(cuò)式雙重PFC，不但減小電感容量和開關(guān)管的平均電流應(yīng)力，而且可以使每個(gè)開關(guān)管的開關(guān)頻率減半，這就減小了因高頻開關(guān)而引起的紋波含量，并且由于開關(guān)管開通時(shí)刻相差180°，即兩條Boost支路的紋波相位相差二分之一個(gè)開關(guān)周期，所以兩支路上電感的紋波也會(huì)相互抵消。

本設(shè)計(jì)可以滿足1 kW以上的系統(tǒng)，并且其紋波含量控制得很低，對(duì)電網(wǎng)的污染極小。這是一個(gè)高效、環(huán)保、實(shí)用的一種系統(tǒng)，其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。

1 PFC工作原理

1.1 功率因數(shù)的概念

1.2 全橋整流電路產(chǎn)生基波因數(shù)原因

通常市電經(jīng)過濾波和不控整流橋而轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟?，如圖1 (a)所示。由于這種整流電路是二極管組成，對(duì)輸入電流不具有可控性，而且電容電壓不能躍變，從而當(dāng)輸入電壓高于電容兩端電壓時(shí)，二極管才能導(dǎo)通，當(dāng)前者低于后者時(shí)，則二極管不導(dǎo)通。這就形成了電流值電源電壓峰值附近才存在的情況，如圖1(b)所示。該電流含有大量紋波成分，電路功率因數(shù)很低(通常僅達(dá)到0.6左右)，紋波含量可達(dá)100%到150%，將對(duì)電網(wǎng)造成嚴(yán)重的污染。因此，需要對(duì)它進(jìn)行功率因數(shù)校正。

圖1 全橋整流電路及電壓電流波形

1.3 升壓電感的計(jì)算

電路中電感直接決定著電路的性能、電路的體積以及干擾。為保證電感滿足電路要求，電感值計(jì)算應(yīng)考慮最壞的情況：最低電壓輸入及對(duì)應(yīng)的最大占空比時(shí)，能滿足設(shè)計(jì)要求；電感的設(shè)計(jì)要充分考慮其電路中的具體作用和磁飽和問題。其原理圖如圖2。

交互式PFC的優(yōu)點(diǎn)之一是變換器的輸入和輸出處電感紋波電流的減小。占空比的函數(shù)可以用輸入紋波電流和獨(dú)立電感紋波電流來(lái)表示，即：。由于兩路電感的紋波可以相互抵消，所以每個(gè)電感紋波電流的設(shè)計(jì)可以比單相的高一些。升壓電感和選擇基于最大允許輸入紋波電流，在全電壓輸入應(yīng)用時(shí)(220 V AC± 10%；198～242 V)，最大輸入紋波電流出現(xiàn)在低線電壓峰值處，。當(dāng)允許電感電流有20%的波動(dòng)時(shí)(即設(shè)定紋波電流為峰值電流的20%)，則(為開關(guān)頻率)。

圖2 基于Boost拓?fù)潆p重PFC系統(tǒng)的原理圖

下面計(jì)算該拓?fù)渲械碾姼辛俊?/p>

參數(shù)：輸入電壓220 VAC±10%(198～242 V)；輸出功率=1 400 W；輸出電壓=380 V；效率η≥95%；開關(guān)頻率=92 kHz。

輸入電流最大值的有效值：

選擇鐵粉芯磁芯：4P772，其電感系數(shù)為AL=34，則2.27× 10－8=34×，得出=45。截面積：

所以本文采用的截面積1.3 mm2銅線滿足指標(biāo)要求。

2 工作過程和控制策略

2.1 工作過程

圖3 雙重交錯(cuò)式Boost PFC的工作模式

圖4 雙重Boost PFC工作時(shí)電感電流和電感電壓波形

2.2 控制原理介紹

控制芯片用的TI公司的UCC28070，是一種先進(jìn)的功率因數(shù)校正控制芯片，它集成了兩個(gè)相位差為180°的脈寬調(diào)制(PWM)。這種交錯(cuò)式PWM驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生的輸入和輸出紋波電流大幅減少，傳到EMI濾波更容易，成本更低。其中倍頻設(shè)計(jì)是它的一個(gè)顯著優(yōu)勢(shì)，兩路PWM中的獨(dú)立參考電流用的是同一個(gè)電流參考量，而且能保證一個(gè)穩(wěn)定的、低失真的正弦輸入電流。UCC28070還含有過壓檢測(cè)、可編程峰值電流限制和欠壓鎖定等功能。另外其工作頻率和最大占空比是外圍電路設(shè)定的。由于兩個(gè)開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖占空比不能為1，否則就全開通，整個(gè)電路短路，易擊穿開關(guān)管。其功能如圖5所示。

圖5 PFC控制電路圖

3 實(shí)驗(yàn)及測(cè)試結(jié)果

基于上述的設(shè)計(jì)與分析，在實(shí)驗(yàn)室制作一個(gè)輸出功率為1 400 W的系統(tǒng)樣機(jī)，其主要參數(shù)：交流輸入電壓AC 220 V AC±10%(198～242 VAC)，頻率50 Hz；直流輸出電壓為380 VDC，電壓紋波＜100 mVp-p，功率因數(shù)＞99%，效率＞95%。

主要器件的選型：選用的功率開關(guān)管為MOS管47N60C3，最大允許電流為47 A，足可滿足電路所需；與升壓電感相連的二極管在電壓、電流定額滿足要求的同時(shí),由于電路工作頻率很高，為避免關(guān)斷損耗，所以應(yīng)選擇其反向恢復(fù)時(shí)間<1%的開關(guān)周期二極管，可選擇快恢復(fù)二極管15ETX06；整流橋是GSIB 2560，其中濾波電路的共模電感值為2.3 mH(取截止頻率為50 kHz)，升壓電感為227 μH(前面已計(jì)算)。

圖6是輸入電壓和輸入電流波形，可以看出輸入電流波形基本校正為標(biāo)準(zhǔn)的正弦波形，經(jīng)計(jì)算功率因數(shù)為99.5%；圖7是驅(qū)動(dòng)脈沖波形，其開關(guān)頻率設(shè)定為91.7 kHz(通過電阻R13計(jì)算得到)；圖8是輸出直流電壓，測(cè)得為377 VDC；圖9為輸出電壓紋波波形，其輸出電壓紋波為70 mVp-p，由于其紋波中絕大部分為二次諧波，因此這里只測(cè)試了二次諧波的含量。

圖6 輸入電壓和輸入電流實(shí)驗(yàn)波形

圖7 開關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖波形

圖8 輸出直流電壓波形

圖9 輸出電壓紋波波形

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的功率因數(shù)校正電路，其輸出紋波低，對(duì)電網(wǎng)污染小，功率等級(jí)大，并且升壓電感尺寸和電流應(yīng)力小。整個(gè)系統(tǒng)的尺寸小，使用壽命長(zhǎng)，具有環(huán)保、實(shí)用、紋波含量小等優(yōu)點(diǎn)，有廣泛的應(yīng)用。尤其用在開關(guān)電源方面，可以克服開關(guān)電源輸出紋波大的缺陷。因此性能要求高的開關(guān)電源，加上該環(huán)節(jié)后，其性能必然大大改善[1-5]。

[1]浦錫鋒，王宏華.基于MATLAB的單周期控制PFC BOOST變換電路建模與仿真[J].電氣技術(shù)與自動(dòng)化，2007，36(6):145-147.

[2]東華，馬運(yùn)東.單周期控制BOOST-PFC變換器[J].電源技術(shù)應(yīng)用，2007，10(4):40-43.

[3]楊旭，裴云慶，王兆安.開關(guān)電源技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出社，2005.

[4]林飛，杜欣.電力電子技術(shù)應(yīng)用技術(shù)的MATLAB仿真[M].北京：中國(guó)電力出版社，2009.

[5]路秋生.功率因數(shù)校正技術(shù)與應(yīng)用[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

Design of double PFC System Based on Boost Topology

A double power factor correction system based on Boost topology was introduced.The principle of power factor correction technology,the capactitance calculation of the Boost inductor,correction control method were given.For the interleaved double PFC,the output of the voltage and current ripple,the current stress of the inductor,the power switch and the size of filter could be greatly reduced.

power factor correction;double;current stress;ripple

TM 131.1

A

1002-087 X(2016)03-0652-03

2015-08-25

徐攀(1987—)，男，河南省人，碩士生，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮雍碗姎鈧鲃?dòng)。