大功率有源功率因數(shù)校正器設(shè)計

丁洪凱 王安華 王治森 崔 楊 張元科

黑龍江科技大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022

1 引言

當(dāng)今社會不論是航空航天、軍事工業(yè)，還是汽車制造、家用電器等，模塊化和集成化的趨勢越發(fā)明顯[1]，隨著電動機(jī)、變壓器和照明日光燈等感性負(fù)載的大量使用，電源畸變和諧波帶來的危害無處不在，因此，研究有源功率校正器具有實(shí)際意義[2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 整體方案

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主電路包括輸入濾波、EMI濾波器、橋式整流單元、電流互感器、Boost 變換單元、電壓反饋采樣電路和輸出濾波單元等。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)輸入為單相市電（AC220V），在設(shè)計時考慮實(shí)際應(yīng)用時市電20%的波動范圍，一般為AC175V—265V。本設(shè)計主要包括輸入、輸出整流濾波單元，功率單元及主控單元等。

開關(guān)電源會輻射比較嚴(yán)重的且難以預(yù)料的電磁干擾EMI。因?yàn)镋MI 產(chǎn)生于非特性寄生參數(shù)中，包括線路的感性、阻性、導(dǎo)線和導(dǎo)線之間的容性等，因此設(shè)計相應(yīng)的整流濾波單元電路。主電路采用BOOST 非隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該拓?fù)涞暮诵脑骷ㄝ斎攵穗姼?、開關(guān)管、整流二極管等。該電路為升壓電路，與Buck電路相比較，開關(guān)管在開通階段和關(guān)斷階段，電感電流都不會出現(xiàn)電流斷續(xù)的工作狀態(tài)，正是由于輸入電感的存在，該拓?fù)浞浅＿m合對輸入端進(jìn)行零電流檢測，且輸入側(cè)具有較低的電流紋波和噪聲，可以優(yōu)化濾波電路的參數(shù)指標(biāo)；另外，該電路與Buck 電路相比較，MOSFET 的源極（或者為IGBT 的發(fā)射極）處的電位一直為零，可以使驅(qū)動電路更加簡化?？刂坪诵牟捎肕C34261 芯片，該芯片內(nèi)部具有圖騰柱驅(qū)動輸出結(jié)構(gòu)，可以輕松驅(qū)動MOS 管。通過該主控芯片對溫度進(jìn)行檢測，將輸入電流波形及輸出電壓反饋大小送入MC34261 內(nèi)部的乘法器，并采集輸入電感的零電流信號從而對輸入電流進(jìn)行校正，達(dá)到功率因數(shù)校正的目的[3]。

輸入端整流濾波單元如圖2 所示，由L2、CY2、CY2 構(gòu)成，L1 為輸入端共模抑制器，可以降低EMI（電磁干擾）的干擾。CY2、CY2 選擇500V/472K 規(guī)格的陶瓷電容，其具有容值小、耐壓高、內(nèi)阻低的優(yōu)點(diǎn)，尤其對高頻噪聲干擾具有一定濾波作用。L2、CY2、CY2 共同構(gòu)成輸入端濾波單元電路。

圖2 輸入端整流濾波單元

BOOST 變換單元如圖3 所示。該拓?fù)涞暮诵脑骷奢斎攵说碾姼小㈤_關(guān)管、整流二極管構(gòu)成。

圖3 BOOST 功率電路圖

輸出濾波單元如圖4 所示。C5、C8 所示構(gòu)成輸出濾波電路。輸出端壓400V，對應(yīng)濾波電容為C5A、C5B，這里選擇兩只220uF/500V 的電解電容并聯(lián)以減小內(nèi)阻，電解電容在這里主要作用是濾除低頻噪聲。C5D 為瓷片電容，選擇105（1uF）/500V，瓷片電容容值較小，且由于材質(zhì)原因，對高頻噪聲的濾除作用效果較好。

圖4 輸出濾波單元

系統(tǒng)選擇IR2110 構(gòu)成驅(qū)動單元。IR2110 的基本作用就是電壓放大，每路橋臂采用兩個MOS 管組成推挽式電路，主要特點(diǎn)如：具有獨(dú)立的低端和高端輸入通道，懸浮電源采用自舉電路，其高端工作電壓可達(dá)500V，輸出電源端（腳3）的電壓范圍為10-20V，邏輯電源的輸入范圍（腳9）5-15V，可方便地與TTL、CMOS 電平相匹配，而且邏輯電源地和功率電源地之間允許有 V 的便移量，工作頻率高，可達(dá)500KHz，開通、關(guān)斷延遲小，分別為120ns 和94ns，圖騰柱輸出峰值電流2A。驅(qū)動電路如圖5 所示。

圖5 驅(qū)動電路

2.2 主要參數(shù)計算

共模濾波電感器計算：此選擇輸出濾波電容為3300uF 電解電容，然后要確定濾波電路的截止頻率[4]，已知電容容量C，可得電感L 表達(dá)式：

通常EMI 測試頻寬如下：傳導(dǎo)干擾：150KH z-30MH z（ 注 ：VDE 標(biāo) 準(zhǔn)0KH z-30M）， 輻 射 干 擾：30MHz-1GHz 實(shí)際的濾波器無法達(dá)到理想濾波器那樣陡峭的阻抗曲線，通常可將截止頻率設(shè)定在50KHz 左右。在此，假設(shè)截止頻率為50KHz，則線間電容有1.0uF，則由式(1)得常模電感為 ：

若想獲得更低的截止頻率，則可進(jìn)一步加大電感值，截止頻率一般不低于10KHz。

MOS 管的選型：本設(shè)計輸出電壓400V，根據(jù)BOOST 電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)，開關(guān)管的電壓應(yīng)力等于輸出電壓。開關(guān)管的最大電流與電感電流相等。計算如式(3)和式(4)：

最大周期Tmax 為：

由Tmax 公式可求得電感感值L：

又因?yàn)椋?/p>

則，

3 仿真分析

根據(jù)本設(shè)計方案，構(gòu)建了Matlab 仿真模型如圖6所示。圖7 所示為仿真輸出電壓和電流波形，可見建立穩(wěn)定的輸出電壓用時不到0.2s，響應(yīng)速度快[5]，輸出電壓為400V、電流為7.5A，且輸出電壓紋波為±9V（2.25%），輸出電流紋波為0.15A（2%）左右，均滿足要求。

圖6 輸出電壓、電流波形

圖7 仿真電路圖

4 結(jié)論

通過對大功率有源功率因數(shù)校正器的設(shè)計、計算和仿真分析，驗(yàn)證了系統(tǒng)能夠達(dá)到預(yù)期功能，輸入為AC220V，輸出為5V/6A，在突加負(fù)載時波形也較穩(wěn)定，響應(yīng)速度快，且輸入電流跟隨輸入電壓，相位、波形一致，功率因數(shù)校正效果良好，實(shí)現(xiàn)了升壓型有源功率因數(shù)校正功能。提高電能的利用率，在誤差范圍內(nèi)能夠達(dá)到實(shí)際指標(biāo)要求，從而減少了開關(guān)電源設(shè)備對電網(wǎng)的諧波污染。