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一種有源功率因數(shù)校正器的研制

時(shí)間:2009-04-02 21:45:19來源:hesp

導(dǎo)語:?傳統(tǒng)的開關(guān)電源就像是交流電網(wǎng)上的非線性負(fù)載,電源的輸入端均使用橋式整流器和緊接大容量濾波電容器,它的峰值充電效應(yīng)產(chǎn)生的高次諧波電流從輸電線輻射出去而污染電網(wǎng)。
傳統(tǒng)的開關(guān)電源就像是交流電網(wǎng)上的非線性負(fù)載,電源的輸入端均使用橋式整流器和緊接大容量濾波電容器,它的峰值充電效應(yīng)產(chǎn)生的高次諧波電流從輸電線輻射出去而污染電網(wǎng)。功率因數(shù)校正PFC(Power Factor Correction)是十幾年電源技術(shù)進(jìn)步的重大領(lǐng)域,它的基本原理就是從電路上采取措施,使電源輸入電流實(shí)現(xiàn)正弦波,并與輸入電壓保持同相位,正弦化就是要使其諧波為零,兩波形同相位就實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)PF=l的目標(biāo)?! ”疚幕诠β室驍?shù)校正芯片UC3854設(shè)計(jì)了一臺輸出電壓為400V,輸出功率為1000W的功率因數(shù)校正器。文中討論了該樣機(jī)的設(shè)計(jì)方法和工作原理。并就輸入電流諧波失真的問題給出了分析,試驗(yàn)結(jié)果表明,所設(shè)計(jì)的樣機(jī)運(yùn)行可靠,性能基本達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)。 l 工作原理   圖l給出了所設(shè)計(jì)的用平均電流控制的Boost功率因數(shù)校正器電路原理圖。
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  主電路整流橋輸出電壓ui為正弦波的絕對值,流經(jīng)R5得相似電流波形,加到乘法器的B輸入端,乘法器輸出電流為
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  當(dāng)輸入電壓一定時(shí),A和C為常數(shù),imo的波形與B相似。A和C的數(shù)值緩慢變化時(shí),不影響imo的波形,imo在R2上的電壓降UR2=imoR2=Upref。Upref既是波形控制環(huán)路的基準(zhǔn)電壓,其波形也是正弦波的絕對值。輸入電流i的取樣電路是一個(gè)小電阻R1,取樣電壓為Uis=iR1。取樣電壓與基準(zhǔn)電壓比較得到的誤差電壓
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  當(dāng)波形誤差放大器和主電路兩者的電壓總增益足夠大時(shí),誤差電壓△UE極小,可以忽略,故有
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  可見輸入電流i的波形和乘法器輸出電流imo的波形相似。當(dāng)PWM信號波為高電平時(shí),開關(guān)管導(dǎo)通,輸入 電感電流增大到大于[img=120,119]http://cms.cn50hz.com/files/RemoteFiles/20090204/874490006.jpg[/img]時(shí),PWM信號波變?yōu)榈碗娖?,開關(guān)管截止,這樣占空比得到控制從而調(diào)節(jié)輸入電流使之跟隨輸入電壓波形。   為更好地改善輸出穩(wěn)壓性能和動(dòng)態(tài)相應(yīng)速度,還加設(shè)了電壓前饋乘方功能,由圖可知,乘法器C端的值正比于U2,即C∝U2,而B正比于U,即B∝U,所以[img=479,110]http://cms.cn50hz.com/files/RemoteFiles/20090204/874490007.jpg[/img]的值隨輸入電壓的減小而增大,故輸入功率[img=329,107]http://cms.cn50hz.com/files/RemoteFiles/20090204/874490008.jpg[/img]常數(shù)。即輸入功率可以保持恒定。 2 分析設(shè)計(jì)   2.1 電感器的選擇   對于平均電流型控制的UC3854,允許升壓級在連續(xù)或斷續(xù)工作模式之間移動(dòng),而其性能不變。電感值根據(jù)低輸入電壓時(shí)半個(gè)正弦波頂部的峰點(diǎn)電流來選擇,或根據(jù)此處輸入電壓和開關(guān)頻率的占空因數(shù)選擇。關(guān)系式如下:
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  本試驗(yàn)中L=0.45mH。由于鐵粉芯材料具有磁導(dǎo)率小、線性度高、飽和磁密大、工作頻率范圍寬的特點(diǎn)。所以廣泛應(yīng)用于功率因數(shù)校正電感的設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中電感的選用性價(jià)比較高的鐵粉芯材料,原邊16匝,副邊4匝。   2.2 輸入電流諧波失真的分析   下面對輸入電流的畸變原因做出相應(yīng)的理論分析:   電流基準(zhǔn)信號imo為
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  其中,iac為乘法器輸入電流,Kd為除法器比例系數(shù),Uvea為電壓誤差放大器輸出電壓,Kg為平方器比例系數(shù),Uff為前饋電壓。   通過分析Boost功率因數(shù)校正器控制原理可知,輸入電流的波形主要取決于電流基準(zhǔn)信號的波形(基波),因此,分析輸入電流的諧波失真可轉(zhuǎn)化為分析imo的諧波,實(shí)際上,由于Uin是個(gè)含有二次諧波(占基波66%)的“饅頭”波電壓,故Uff和Uvea中的電壓紋波(低頻)均是兩倍電網(wǎng)頻率的二次諧波。   如果假設(shè)Uvea和Uff中的二次諧波含量幅值均為平均的1%,即Uvea和Uff表示為
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  上式說明:輸出電壓誤差放大器輸出中如含有1%的二次諧波,則在電流基準(zhǔn)信號中產(chǎn)生0.5%的三次諧波電流,前饋電壓中如含有1%的二次諧波電壓,則在電流基準(zhǔn)信號中產(chǎn)生1%的三次諧波電流分量。   2.3 電壓控制環(huán)   電壓控制環(huán)由電壓誤差放大器和升壓級組成,其作用是保證輸出電壓穩(wěn)定,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。
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  2.4 電流控制環(huán)   電流控制環(huán)由電流誤差放大器、PWM比較器和功率級組成,它通過開關(guān)管的占空比迫使輸入電流跟蹤輸入電壓,其控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示:   電流控制環(huán)的傳遞函數(shù)為:
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  其中功率級傳遞函數(shù)為:
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  電流誤差放大器的結(jié)構(gòu)圖如圖5所示:
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  其傳遞函數(shù)為:
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  2.5 輕載時(shí)輸出電壓飄升問題的解決   在本試驗(yàn)過程中發(fā)生了這種現(xiàn)象:輕載或者空載時(shí),變換器的輸出電壓緩慢飄升,發(fā)生這種現(xiàn)象的基本原因在于電流運(yùn)放的輸入電壓失調(diào)上,最簡單的解決辦法是在電流放大器的3腳、4腳間并聯(lián)一個(gè)大電阻,即加上一點(diǎn)直流反饋,將輸出的正電平送一點(diǎn)到反相輸入端以補(bǔ)償失調(diào)。   但是,這種簡單方法也有缺點(diǎn):本來電流運(yùn)放在輕載時(shí)需要正電平補(bǔ)償,重載時(shí)不需要補(bǔ)償,可是直流反饋偏置的結(jié)果卻是負(fù)載越重,電流運(yùn)放輸出越高,因而補(bǔ)償更重。當(dāng)反饋過大時(shí),將限制電流運(yùn)放的輸出高電平幅度,從而限制了PWM調(diào)制器的最大輸出脈寬,這樣將影響整個(gè)PFC電路的輸入電壓調(diào)節(jié)能力,即當(dāng)輸入交流較低、同時(shí)負(fù)載也較重時(shí),輸出電壓可能達(dá)不到額定值。較好的解決辦法為增加電流運(yùn)放的附加偏置,如圖6所示,圖中R1為兆歐級數(shù)值的電阻,R2可根據(jù)情況適當(dāng)加以調(diào)整,通過分壓電路給反相端4腳加一個(gè)固定的偏置,這樣就解決了上述反饋偏置的缺點(diǎn)。
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3 試驗(yàn)結(jié)果   設(shè)計(jì)了一臺試驗(yàn)樣機(jī),輸入電壓為80V到270V,輸出電壓為400V,最大輸出功率1000W,主電路升壓電感0.45mH。檢流電阻為0.05Ω,輸出電容為470μF。圖7給出了輸入端電壓和電流的波形。圖8給出了電感側(cè)電壓波形。圖9給出了輸出電壓波形。圖10給出了開關(guān)管驅(qū)動(dòng)信號波形。
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4 結(jié)論   實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,本文所設(shè)計(jì)的基于UC3854的功率因數(shù)校正器,其性能指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求,控制電路設(shè)計(jì)明顯簡化。基于該芯片的卓越控制能力和極低的價(jià)位,為提高中小功率的開關(guān)電源的功率因數(shù)和抑制諧波污染提供了一條可行的技術(shù)途徑。

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