基于BOOST型電路的APFC設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉 磊,李 宏

(西安石油大學(xué) 電子工程學(xué)院, 西安 710065)

0 引 言

一般情況下，不間斷電源(UPS)、電子鎮(zhèn)流器及變頻調(diào)速器等裝置獲得所需直流電壓的方式通常是輸入級(jí)利用單相或者三相不可控橋式整流電路，且在直流電壓輸出端并聯(lián)容量較大的濾波電容。這種電路結(jié)構(gòu)會(huì)使得二極管在一個(gè)周期內(nèi)僅在電網(wǎng)電壓峰值處導(dǎo)通，且導(dǎo)通角很小，從而使得電網(wǎng)電流波形發(fā)生嚴(yán)重的畸變，這是線路功率因數(shù)較低的主要原因，一般只有0.65左右。這與我國相關(guān)諧波標(biāo)準(zhǔn)有很大的差距[1]。所以功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)已引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛重視。

近些年，功率因數(shù)校正技術(shù)在很多領(lǐng)域有了較大的進(jìn)步和突破，其中單相功率因數(shù)校正技術(shù)現(xiàn)已比較成熟，并廣泛應(yīng)用于鎮(zhèn)流器、開關(guān)電源中的預(yù)變頻器和直流變換器等各個(gè)方面[2]。但是，從電力電子裝置的輕、小、薄，功率密度(單位體積的功率)和整機(jī)效率等方面來衡量PFC電路，則還有很大的創(chuàng)新空間。目前，美國德州儀器，意法半導(dǎo)體，日本富士電機(jī)公司，美國APT公司及西門子等公司先后推出了多種用于有源功率因數(shù)校正技術(shù)的專用芯片，如LM5117，MSC60028，UCC1857，APT5012JN-U2，ML4833，F(xiàn)A5332P(M)等[3]，其中由ST公司生產(chǎn)的L6562PFC專用芯片內(nèi)部有低失調(diào)、高線性度的模擬乘法器，需要配置的外圍電路極其簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。本文利用意法半導(dǎo)體公司的L6562芯片，研制了一種能寬電壓范圍輸入、穩(wěn)定輸出直流電壓、輸出功率為500W的APFC系統(tǒng)。

1 有源功率因數(shù)校正的工作原理

傳統(tǒng)采用相控整流和不可控整流電路中，其輸出端均含有LC濾波電路[4]，其實(shí)這類電路的本質(zhì)就是非常典型的無源功率因數(shù)校正電路(PPFC)，主要思想是利用電路中電容與電感器件對(duì)輸入的窄尖峰電流脈沖進(jìn)行抑制，從而提高功率因數(shù)。但是這種校正功率因數(shù)方法十分有限，一般僅能達(dá)到0.86左右。但與之相對(duì)應(yīng)的有源功率因數(shù)校正電路(APFC)卻可將功率因數(shù)提高至0.995甚至更高，因此APFC技術(shù)才是工程實(shí)際中真正實(shí)用的功率因數(shù)校正方法，其基本校正思想框圖如圖1所示。

圖1 APFC校正框圖

通?，F(xiàn)有方法都是采用雙回路控制APFC電路，電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，用于實(shí)現(xiàn)DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入電流波形與全波整流器的電壓波形相同，外環(huán)為電壓回路，能保持輸出電壓的穩(wěn)定，通常轉(zhuǎn)換器基本都是Boost電路。由于電路中起抑制電流脈沖幅值作用是有源器件，故被稱為有源功率因數(shù)校正。欲使得網(wǎng)側(cè)輸入電流波形能在相位上完全跟蹤輸入正弦電壓波形，一般我們采用的就是實(shí)際電流與標(biāo)準(zhǔn)正弦電流的偏差作為反饋，這樣就會(huì)使得功率因數(shù)得到大幅度的提高。

2 主電路的選擇與設(shè)計(jì)

主電路如圖2所示，主要是由保護(hù)電路、抗電磁干擾電路、二極管構(gòu)成的全橋式整流電路和升壓型斬波電路組成。

圖2 主電路原理圖

2.1 主電路參數(shù)的設(shè)計(jì)

技術(shù)要求：

(1)輸入電壓：Uin=80～270(1±10%)，50Hz。

(2)輸出電壓：額定直流400V。

(3)輸出功率：額定輸出最大功率是500W。

2.1.1 泵升電感的設(shè)計(jì)

(1)計(jì)算Pin=Po max時(shí)的最大峰值線電流(A)為

(1)

(2)電感上的紋波電流(A)為

ΔLL=0.2IPK=0.2×8.84=1.8

(2)

(3)最低輸入電壓峰值時(shí)的最大占空比為

(3)

(4)泵升電感值(mH)為

(4)

計(jì)算出泵升電感值以后，就可根據(jù)其電感值與工作時(shí)流過的電流，按式(5)選定電感鐵心 ：

(5)

(6)

泵升電感氣隙值為

(7)

其中,μ0=1.257×10-6H/m。由式(7)可知，泵升電感氣隙值為2mm。

2.1.2 濾波電容的設(shè)計(jì)

(8)

所以選擇濾波電容時(shí)，應(yīng)注意該電容的等效阻抗應(yīng)小于2.5Ω。

3 控制電路的研究與設(shè)計(jì)

3.1 電流模式控制

傳統(tǒng)的功率因數(shù)控制電路應(yīng)用的是電壓模式控制，這種方法只有一個(gè)電壓控制環(huán)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是有一個(gè)顯著的缺點(diǎn)是不能有效地控制電路中的電流，這樣就會(huì)給設(shè)計(jì)電路短路保護(hù)與過載保護(hù)帶來極大困難，而且采用單獨(dú)的電壓控制環(huán)時(shí)，由于電壓環(huán)響應(yīng)較慢，致使輸出的低頻紋波很難被消除。所以本課題選用電流模式控制，其基本思想是：電流環(huán)為內(nèi)環(huán)，用于波形跟蹤，外環(huán)為電壓環(huán)，保證輸出電壓的穩(wěn)定。該控制方法可擴(kuò)大系統(tǒng)的穩(wěn)定域、增強(qiáng)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)定性，同時(shí)還可在很大程度消除輸出電壓波形中頻率較低的紋波[3]。

由于峰值電流模式控制電路中電感電流往往帶有噪聲，容易引起比較器誤動(dòng)作，造成工作不穩(wěn)定，這對(duì)很多精確控制電感電流平均值的電源來說是不允許的。所以本課題選用了平均電流模式控制，該方法的優(yōu)點(diǎn)是控制精度高，而且積分環(huán)節(jié)對(duì)電感電流具有濾波作用，其原理如圖3所示。

圖3 平均電流模式控制的原理

3.2 控制電路的設(shè)計(jì)

該課題控制電路的主控芯片應(yīng)用了ST公司的L6562，芯片內(nèi)部具有一特殊電路結(jié)構(gòu)的高線性度的乘法器。在寬輸入范圍內(nèi)均具有良好的THD，功耗極低，且門極驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到了700mA，經(jīng)電氣隔離后可直接驅(qū)動(dòng)中小功率的MOS和IGBT。圖4為設(shè)計(jì)的具體原理圖。

圖4 控制電路原理圖

采用電阻檢測(cè)和電壓傳感器都可以使引腳3獲半個(gè)正弦波電壓波形，前者檢測(cè)幾乎無延時(shí)，輔助電路簡(jiǎn)單，但檢測(cè)電路與主電路沒有電氣隔離。利用電壓傳感器需要配置電源，成本高，但是檢測(cè)電路與主電路是隔離的。本設(shè)計(jì)基于整機(jī)功率較小，所以利用電阻網(wǎng)絡(luò)分壓來檢測(cè)，C2、C3是為讓3引腳獲得穩(wěn)定的正弦波。R8和RP1實(shí)現(xiàn)輸出分壓采樣的功能，為引腳1提供比較電平。R9、R10、C7、C8與引腳1、2構(gòu)成了PI調(diào)節(jié)器，其中C8為皮法量級(jí)，目的是為了防止自激振蕩，屬于密勒補(bǔ)償。R10是為了限制比較器的開環(huán)增益。電阻R4是為了防止MOS管發(fā)生寄生振蕩，但此電阻會(huì)影響柵源驅(qū)動(dòng)電壓的建立，所以取數(shù)十歐姆為宜。MOS管柵極絕緣二氧化硅層很薄，當(dāng)柵源電壓高于20V會(huì)將它擊穿，所以二極管VD6和穩(wěn)壓管VS1是為了穩(wěn)定柵極電壓，R6并聯(lián)在柵源之間是為了增強(qiáng)MOS管的抗干擾能力。與MOS源極相連的電阻R7是過電流保護(hù)的電阻，與芯片的引腳4相連，當(dāng)其引腳4檢測(cè)電壓達(dá)到內(nèi)部比較器閾值電壓時(shí),芯片內(nèi)部通過觸發(fā)器來封鎖脈沖，從而保護(hù)開關(guān)管。ZCD引腳為過零檢測(cè)端，本設(shè)計(jì)中未用到此功能，所以直接接地禁止該功能。

4 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

為了驗(yàn)證課題設(shè)計(jì)的正確性和可行性，本文利用了Multisim仿真軟件對(duì)主電路進(jìn)行建模并仿真。由于在仿真軟件中仿真的模型是理想模型，有些未能在仿真軟件中找到的器件應(yīng)用了軟件中相近的器件來代替，因此會(huì)導(dǎo)致仿真出來的結(jié)果與實(shí)際結(jié)果之間會(huì)有略微的差別。圖5分別是交流輸入電壓為80V與270V在交流輸入側(cè)測(cè)到的電壓與電流的波形圖，從圖中可以看出電流波形與電壓波形接近同相位。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了方案的合理性、可行性以及正確性。

圖5 交流輸入端測(cè)到的電壓與電流的波形圖

5 結(jié) 論

本文利用平均電流模式控制技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種固定開通時(shí)間的新穎APFC電路。不僅可以使得輸入電流波形與電壓波形保持同步，而且還可以使輸出端的直流電壓波形也較為平滑，實(shí)驗(yàn)測(cè)得其總的功率因數(shù)約為0.96。該設(shè)計(jì)可以用于小于500W的直流開關(guān)電源以及電器設(shè)備、充電裝置(例如：蓄電池充電器)、UPS等系統(tǒng)當(dāng)中。在中小功率的場(chǎng)合，采用該方案能在很大程度上改善電源的功率因數(shù)。