高功率因數(shù)電源設(shè)計

雷 丹,李會中

摘 要:功率因數(shù)是開關(guān)電源設(shè)計的關(guān)鍵指標(biāo),提高功率因數(shù)是開關(guān)電源發(fā)展中一直重視的技術(shù)問題。這里設(shè)計的高功率因數(shù)開關(guān)電源應(yīng)用PFC控制方式,引進(jìn)TI公司新推出的UCC28019芯片,明顯提高了功率因數(shù)。該電源由AC/DC變換電路、DC/DC變換電路、PFC控制電路、功率因數(shù)檢測電路、數(shù)字設(shè)定及測量顯示電路、保護(hù)電路等6部分組成。其中,AC/DC變換電路采用橋式不控整流方式,DC/DC變換電路采用Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),可實現(xiàn)30~36 V可調(diào)輸出,并利用MSP430F247單片機(jī)實現(xiàn)數(shù)字設(shè)定、測量顯示及功率因素檢測等功能。該電源的主要優(yōu)點是:功能直觀、穩(wěn)定性好、功率因數(shù)大幅度提高。

關(guān)鍵詞:Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu);功率因數(shù)檢測;UCC28019;MSP430F247

中圖分類號:TP274文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

文章編號:1004-373X(2009)12-192-03

High Power Factor Power Design

LEI Dan,LI Huizhong

(Wuchang Branch,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan,430068,China)

Abstract:Power factor design is the key indicator of power supply,power supply has always attached importance to developing technical problems.Power supply uses PFC control circuits that using UCC28019 of TI which can Significantly increase the power factor.The power supply consists of six parts which are AC/DC conversion circuits,DC/DC conversion circuits,power factor detection circuits,PFC control circuits,digital set,measuring circuits and protection circuits.AC/DC conversion circuits using not controlled rectifier,DC/DC conversion circuits using boost topology,which can output voltage that the value is 30~36 V.Power supply uses MSP430F247 SCM can accomplish digital set and measurement.This system has some advantage:intuitive features,good stability,improved power factor.

Keywords:boost topology;power factor test;UCC28019;MSP430F247

1 方案論證

1.1 DC/DC主回路拓?fù)浞桨?/p>

方案1:Buck型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換器

該方案可在隔離變壓器輸出端進(jìn)行三倍壓整流,再將直流電壓通過Buck型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行降壓變換實現(xiàn)。但采用Buck型變換器輸入端電壓偏高,驅(qū)動電路和控制電路的電源方案較麻煩,并且可靠性不高。

方案2:Cuk型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換器

它的輸出電壓極性與輸入電壓相反,但其值可以高于、等于或低于輸入電壓的值。其輸入和輸出電流都是連續(xù)的,經(jīng)兩個電感的補(bǔ)償耦合,將輸入和輸出的波紋電流和電壓抑制到零,但內(nèi)部諧振使傳遞作用斷續(xù)或在某些頻率上削弱輸入波紋抑制。在耦合電感線圈和變壓器隔離的結(jié)構(gòu)中,由于“開關(guān)導(dǎo)通”初期的沖擊耦合電流會引起輸出電壓反向,并且也存在穩(wěn)定性問題。

方案3: Boost型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換器

Boost電路的輸出電壓極性與輸入電壓相同,但總是高于輸入電壓。輸入電流是連續(xù)的,只需要較小的輸入濾波。輸出電壓與負(fù)載電流無關(guān),并且輸出電阻非常低,硬件上容易實現(xiàn),且控制簡單,技術(shù)成熟。

通過以上綜合分析比較,Boost型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換器是DC/DC變換器的理想選擇。

1.2 系統(tǒng)控制方案

方案1: 幅度控制方式,即通過改變開關(guān)電源輸入電壓的幅值而控制輸出電壓大小的控制方式。這種方式效率很低,當(dāng)?shù)蛪狠敵鰰r,將造成大部分能量消耗在調(diào)整管或電阻上。

方案2:脈沖寬度控制,指功率管的開關(guān)工作頻率(即開關(guān)周期)固定,是一種直接通過改變導(dǎo)通時間(即占空比)來控制輸出電壓大小的方式,它采用升壓型(Boost)或降壓型(Buck)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來實現(xiàn)輸出電壓的改變。這種控制又稱PWM控制。

由于PWM控制方式采用了固定的開關(guān)頻率,因此,設(shè)計濾波電路時簡單方便。綜合比較,采用方案二作為控制方法。

2 硬件設(shè)計與主要參數(shù)計算

2.1 系統(tǒng)總體電路框架

根據(jù)題目的設(shè)計要求,系統(tǒng)由AC/DC變換電路、DC/DC變換電路、功率因數(shù)檢測電路、PFC控制電路、數(shù)字設(shè)定及測量顯示電路、保護(hù)電路等6大部分組成。其系統(tǒng)電路總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

2.2 DC/DC變換模塊

DC/DC采用Boost變換電路,其電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 boost變換電路

2.2.1 二極管參數(shù)

在功率MOSFET截止期間,VD正向偏置而導(dǎo)通,最大流通電流達(dá)2 A左右;在MOSFET導(dǎo)通期間,VD反向偏置而截止,此時二極管反向電壓為Vin。為了確保電路的可靠性,故選取整流二極管MUR3060。

2.2.2 功率開關(guān)管參數(shù)

功率開關(guān)MOSFET所要承受的基本電壓為截止時所承受的電壓Vin,導(dǎo)通時所要承受的導(dǎo)通電流為2 A。為確保電路的可靠性,應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)陌踩Ａ?故選取功率開關(guān)管IRFP150N,其耐壓、耐流完全滿足要求。

2.2.3 儲能電感參數(shù)

變換器中的電感線圈在任何正常條件下不能飽和,并且為了有好的效率,線圈和磁心的損耗必須要小。理論上電感可具有任何值,大電感可具有低波紋電流,且輕載時可連續(xù)導(dǎo)通,但負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)差。小的電感波紋電流大,增加了開關(guān)損耗和輸出波紋。在輕載時出現(xiàn)不連續(xù)導(dǎo)通,且導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定?？墒?其瞬態(tài)響應(yīng)性能好,效率高,尺寸小,所以電感的選擇只能折中,通常選擇使臨界電流低于最小規(guī)定負(fù)

載電流的電感,或按可接受的波紋電流盡可能地以小的標(biāo)準(zhǔn)來選擇。 電感量通過公式:

LRSF(min)≥VoutD(1-D)/(fSW(typ)IRIPPLE)

計算出:L≥0.07 mH。另外,輸出電流達(dá)到2 A,功率較大,由于參數(shù)類型特殊,普通電感遠(yuǎn)達(dá)不到要求,故選用粗銅線與環(huán)型磁鐵的自制電感。

2.2.4 輸出濾波電容參數(shù)

輸出濾波電容C兩端電壓為輸出電壓Vout。C的濾波使輸出Vout的波形連續(xù)。對DC/DC轉(zhuǎn)換器而言,工作頻率越高,所要求的電容值越低。設(shè)計中選用4 700 μF的電容。

2.3 PFC控制模塊

開關(guān)電源是借助開關(guān)器件的開/關(guān)(ON/OFF)實現(xiàn)能量交換的。輸出控制由晶體管的導(dǎo)通時間決定。實際上PWM控制就是控制開關(guān)管導(dǎo)通的占空比。結(jié)合控制方式及功率因數(shù)的要求,設(shè)計中選用TI公司提供的具有功率因數(shù)校正功能的UCC28019芯片作為PFC控制模塊。UCC28019 為8引腳連續(xù)電流模式(CCM) 控制器,其重要元件參數(shù)的計算如下:

C7=gmiM1/K12πf1AVG=910 pF

式中:gmi=0.95 ms;M1=0.4;K1=7;f1AVG=9.5 kHz。

C11 =(gmv fv/fPWM_PS)/(10GVLdB(f)/20×2πfv)

=3.88 μF

式中:gmv=42 μs;fv=10 Hz;fPWM_PS=1.589 Hz,10GVLdB(f)/20=100.709 0 dB/20,fv=10 Hz。

R11=1/ (2πfZEROCvCOMP)= 30.36 kΩ

式中:fZERO=1.589 Hz,CvCOMP= 3.3 MF。

C12=CvCOMP /(2πfPOLERvCOMPCvCOMP -1)=0.258 μF

式中:fPOLE=20 Hz,RvCOMP=33 kΩ,CvCOMP =3.3 MF。

PFC控制模塊與各電路連接見圖3。

圖3 PFC控制模塊與各電路連接圖

2.4 顯示與測量模塊

數(shù)字設(shè)定及顯示,功率因數(shù)檢測兩部分由MSP430F247單片機(jī)、鍵盤和128×64液晶顯示器構(gòu)成。與普通LED相比,液晶顯示界面與操作界更友好。

2.5 過流保護(hù)模塊

過電流保護(hù)是一種電源負(fù)載保護(hù)功能,以避免發(fā)生包括輸出端子上短路在內(nèi)的過負(fù)載輸出電流對電源和負(fù)載的損壞。出現(xiàn)過流時,控制信號使PWM輸出脈寬變窄,輸出電壓迅速下降,從而抑制電流。

3 軟件設(shè)計流程

系統(tǒng)軟件設(shè)計分為兩大部分,包括輸出檢測及顯示;功率因數(shù)檢測。

設(shè)計流程如圖4所示。

圖4 設(shè)計流程

4 系統(tǒng)測試

4.1 測試方法

(1)設(shè)定不同輸出電壓值,測量實際電壓輸出;

(2)設(shè)定某一固定輸出電壓值,調(diào)節(jié)U2從15~19 V變化,測量實際電壓輸出。

(3)設(shè)定某一固定輸出電壓值和U2,調(diào)節(jié)負(fù)載,測量實際電壓輸出。

4.2 測試儀器

測試儀器有:單相自耦調(diào)壓器;普通數(shù)字萬用表;四位半數(shù)字萬用表;60 MHz數(shù)字示波器(雙通道)。

4.3 測試主要數(shù)據(jù)

4.3.1 輸出電壓

當(dāng)電壓U2=18 V,負(fù)載電流為0.5～2 A時,設(shè)定和實際輸出的電壓見表1。

4.3.2 功率因數(shù)

功率因數(shù)計算如下:

λ=U2I21cos φ1/U2I2= I21cos φ1/I2=

νcos φ1靋os φ=cos 15°=0.96

式中:U2,I2分別為變壓器副邊的電壓和電流有效值;I21為I2中的基波分量;φ1為U2和I21之間的相位差。為計算簡單,這里用U2,I2之間相位差的余弦cos φ作為功率因數(shù)。

表1 輸出電壓的設(shè)定值和實際輸出值

設(shè)定值 /V實際輸出值 /V設(shè)定值 /V實際輸出值 /V

3030.43434.1

3131.23535.2

3232.53636.7

3333.6

4.3.3 電壓調(diào)整率

輸出電壓設(shè)定值為36 V,當(dāng)U2=15 V,Io=2 A時,Uo=35.7 V;當(dāng)U2=17 V,Io=2 A時,Uo=35.8 V;當(dāng)U2=19 V,Io=2 A時,Uo=36.0 V;電壓調(diào)整率σv≤0.2%。

4.3.4 負(fù)載調(diào)整率

設(shè)定U2=17 V,輸出為36 V,則Io=0.2 A時,Uo=35.9 V;Io=2 A時,Uo=35.8 V;負(fù)載調(diào)整率σL≤0.3%。

5 結(jié) 語

通過測試的數(shù)據(jù)顯示,該設(shè)計較好地完成了預(yù)期設(shè)計目標(biāo),功率因數(shù)高達(dá)95%以上,穩(wěn)定性好。但也有一定的不足,如輸出存在雜波,輸出電壓設(shè)定值與實際輸出值的誤差較大等,這些問題有待以后的研究中進(jìn)一步改善。

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作者簡介 雷 丹 女,1981年出生,講師。研究方向為電力電子、電力傳動、自動控制。