逆變系統(tǒng)高效前級直流電源PFC電路分析和設(shè)計

侯澤治

摘要：文章基于對逆變系統(tǒng)高效前級直流電源PFC電路的分析和設(shè)計，分析了正弦電壓信號數(shù)字化放大功率逆變系統(tǒng)中的控制功率因素的電路，這一控制器為逆變系統(tǒng)供應(yīng)了功率因數(shù)較高的高效前級直流電源，它能對正弦波以及輸入的電流進(jìn)行有效的控制，且其功率因數(shù)的輸入也能達(dá)到較高值。

關(guān)鍵詞：逆變系統(tǒng)；直流電源PFC電路；功率因素；電力系統(tǒng)；電壓信號 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TM761 文章編號：1009-2374（2017）04-0015-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.04.008

在電力系統(tǒng)中，電壓信號測量且功率放大的系統(tǒng)，其實(shí)質(zhì)上指的是一個數(shù)字電源逆變系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，利用芯片模擬進(jìn)行控制，且有源單級校正功率因數(shù)的AC/DC，能夠?yàn)槠涮峁└咝凹壷绷麟娫?。它功率因?shù)的輸入值非常高，還能對恒定的支流電壓進(jìn)行控制，且不會由于輸入的變化而產(chǎn)生任何的改變，同時下級逆變系統(tǒng)獲得的直流電源也非常的穩(wěn)定。因此本文主要對逆變系統(tǒng)高效前級直流電源PFC電路進(jìn)行了研究和分析，闡述了功率因數(shù)控制裝置操作的原理，并結(jié)合控制芯片UC385的應(yīng)用，對設(shè)計PFC電路的原理以及實(shí)現(xiàn)的過程做了簡單的介紹。

1 Boost型PFC電路簡介

1.1 工作原理

在逆變系統(tǒng)中，一般情況下，校正功率因數(shù)設(shè)備儀器，其功能有兩個：一是對功率因數(shù)進(jìn)行控制，同時獲得較高的功率因數(shù)；二是確保后一級電路中獲得的直流電壓達(dá)到良好的平滑穩(wěn)定性。

在前提條件DSP下，控制PFC電路的技術(shù)正逐漸朝著數(shù)字化的方向發(fā)展，且獲得了較好的成果。其中，校正前級功率因數(shù)所涉及到的方法還相對過于傳統(tǒng)，通常情況下使用專用的3854芯片來完成PFC電路。然后將運(yùn)放電路加在其外圍上，從而實(shí)現(xiàn)模擬PI調(diào)節(jié)器的作用。采用控制芯片UC3854設(shè)計實(shí)現(xiàn)的PFC電路的技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，且線路也具備較高的可靠性。在Boost型PFC電路中，有一個乘法器，即Multi，它的功能等同于一個控制電壓的電流源。Boost型PFC電路的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示：

1.2 PFC主電路分析及設(shè)計

Boost型功率因數(shù)校正電路的原理如圖2所示：

圖2 Boost型功率因數(shù)校正電路的基本原理

1.2.1 在理想模型中，電壓或者電流的輸出。在進(jìn)行電路的研究和分析之前，先要提出一些假設(shè)：（1）輸入的電流以及電壓等，均為同相同頻，且沒有發(fā)生畸變的正弦波；（2）具有恒定的電壓輸出；（3）在頻率恒定的情況下，功率管S的運(yùn)行其頻率為fs，且比電壓輸入的頻率fl要大得多；（4）具有線性的電感L，且在飽和狀態(tài)下不會工作；（5）不用計算功率的損耗。

通過分析可以得出，功率平均輸出的值為恒定值，且電壓輸出的組成主要分為三個部分：一是直流分量；二是比開關(guān)頻率低的交流分量；三是與開關(guān)頻率相等或者更大的交流分量。

1.2.2 瞬態(tài)占空比的表達(dá)式。作為該系統(tǒng)的控制芯片UC3854，其中，電壓的輸入值Uin等于110V，而200V為電壓輸出，而P0=500W為功率輸出，經(jīng)過測量之后，可以得到電流誤差放大器輸出電壓的波形，即調(diào)制波。

1.2.3 確保CCM模式。在該系統(tǒng)中，在CCM的工作模式下PFC工作。系統(tǒng)在CCM模式下能夠進(jìn)行工作，主要由輸出的功率、電感大小、開關(guān)頻率等決定。其中電感值需要符合特定的計算公式，即L≥。同時，選擇的電感值必須達(dá)到限制電流過零畸變以及脈動率的相關(guān)要求。而本文的討論只考慮前兩項(xiàng)。

1.2.4 選擇主電路的參數(shù)。通過對主電路進(jìn)行分析，能夠合適地選擇合適的電容以及電感的大小。在本系統(tǒng)中，指標(biāo)輸入為P0=500W，Uin=110V，U0=200V，控制芯片采用UC3854，就能得出L=500H。而二次電壓輸出的紋波與所選擇的電壓具有一定的聯(lián)系，通?？梢愿鶕?jù)1～2倍的功率進(jìn)行相應(yīng)的選擇，而這里所選擇的電容為C=1000F。

1.3 軟啟動PFC電路

1.3.1 軟啟動功率系統(tǒng)。如果直接連接電源，系統(tǒng)中的電流就會產(chǎn)生較大的沖擊，因此必須增設(shè)一個電阻軟啟動。在初次通電時，需要繼電器斷開其常開觸點(diǎn)，運(yùn)用該電阻，市電則能對電容補(bǔ)充一定的電量，其電阻值為30，因此補(bǔ)充電流的過程中，最大限度為10A。將電源控制為15V時，還需要補(bǔ)充一定的電量給小電容，當(dāng)補(bǔ)充到12V時，就能有效地將NPN管導(dǎo)通。同時繼電器就會閉合，且軟啟動對應(yīng)的電阻短路，這樣一來，在正常工作狀態(tài)下，可以防止電阻消耗電能，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)硬件軟啟動的目的。

1.3.2 控制軟啟動系統(tǒng)。主要采用3854芯片的13腳作為軟啟動端，當(dāng)工作正常的情況下，13腳的電壓值7.5V則看作電壓誤差放大器的參考電壓值，當(dāng)向控制系統(tǒng)開始通電時，系統(tǒng)內(nèi)部則會提供為14uA左右的電流恒流源，并將13腳對地電容進(jìn)行線性充電，電壓范圍為0～7.5V，這樣就能促使系統(tǒng)達(dá)到軟啟動的目的。

2 設(shè)計控制系統(tǒng)分析

在逆變系統(tǒng)中，一般采用的經(jīng)典控制芯片為UC3854，這一芯片的設(shè)計思路主要可以從圖1中加以體現(xiàn)。其中最主要的設(shè)計就是電流環(huán)CA以及電壓環(huán)VA。

2.1 設(shè)計電壓環(huán)

設(shè)計電壓環(huán)是指設(shè)計電壓的誤差放大器，而設(shè)計的電壓的補(bǔ)償誤差放大器網(wǎng)絡(luò)，以二次諧波脈動抑制為主電壓。若變換器中輸出的為P0功率，輸出C0的濾波電容，電壓輸出為U0，其中U0指的是C0上的平均電壓。在如圖2所示的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中，100Hz的情況下，放大器的增益可以用如下公式進(jìn)行表示：

2.2 設(shè)計電流環(huán)

設(shè)計電流環(huán)主要是指設(shè)計電流的誤差放大器，如圖2所示。按照圖2中所表示的電路，可以將放大CA的倍數(shù)Af的公式寫出來，即：

通過對兩邊進(jìn)行求解對數(shù)，就能得出如下公式：

根據(jù)上述的表達(dá)公式，就能將波特圖繪制出來。為了確保功率因數(shù)滿足1，電流誤差放大器，即幅頻特性CA應(yīng)該設(shè)計為波特圖。最后ii的分量低頻與imo，跟蹤效果非常好，且ii與ui的正弦波其整流全波波形為同相。

3 實(shí)踐結(jié)果分析

采用仿真模擬試驗(yàn)分析，校正功率因數(shù)之后，如圖3所示。其中，上圖為電壓輸入，下圖為電流輸入。在系統(tǒng)中，功率因數(shù)的輸入很接近1，因此，PFC電路為放大整個系統(tǒng)提供了高功率因數(shù)、隔離、簡單的高效前級直流電源。

4 結(jié)語

綜上所述，本文通過對逆變系統(tǒng)高效前級直流電源PFC電路的分析和設(shè)計探究，分析了Boost型PFC電路工作的基本原理以及其電路的設(shè)計思路，同時對控制系統(tǒng)中的電壓環(huán)設(shè)計以及電流環(huán)設(shè)計做了詳細(xì)的闡述，以便為逆變系統(tǒng)高效前級直流電源PFC電路今后的設(shè)計和研究提供一些參考的依據(jù)。

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（責(zé)任編輯：黃銀芳）