無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)功率因數(shù)校正電路的研制
1 引言
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/104404.htm在開(kāi)關(guān)電源中引入功率因數(shù)校正PFC(Power FactorCorrection)技術(shù),一方面使電源輸入電流與輸入電壓波形同相,即使功率因數(shù)趨于1;另一方面使輸入電流為正弦波,即使總諧波畸變值盡量小。目前工程應(yīng)用中,傳統(tǒng)有源功率因數(shù)校正電路主要有硬開(kāi)關(guān)Boost校正、有源軟開(kāi)關(guān)校正、無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)校正以及新型無(wú)橋模式校正。其中,無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)功率因數(shù)校正電路所用元器件數(shù)量少,電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,電路工作穩(wěn)定性好,開(kāi)關(guān)管的電流應(yīng)力小,效率較高,控制電路簡(jiǎn)單,成本較低。所以本設(shè)計(jì)采用無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)功率因數(shù)校正電路,圖1為其電路原理圖。
2 基于無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)PFC功率級(jí)電路設(shè)計(jì)
功率級(jí)電路采用無(wú)源無(wú)損軟開(kāi)關(guān)功率因數(shù)校正電路,工作頻率設(shè)定為60 kHz。設(shè)計(jì)的主要技術(shù)指標(biāo):輸入170~270 V的交流電壓、50 Hz;輸出400 V的直流電壓,電壓紋波小于10 V:輸出功率1 kW;功率因數(shù)不小于0.98;效率不低于95%。
2.1 主電路升壓電感的設(shè)計(jì)
在PFC電路中,磁性元件對(duì)電路性能的影響較大,而其設(shè)計(jì)涉及很多因素。下面主要介紹主電路升壓電感的設(shè)計(jì)。
目前適合在高頻條件下工作的APFC電感的磁心材料且價(jià)格適中的是鐵硅鋁磁粉心,其優(yōu)點(diǎn)是:飽和磁通密度極高,在強(qiáng)磁場(chǎng)條件下,即工作在大電流時(shí),磁心不易飽和;制作APFC電感,不用開(kāi)氣隙,不會(huì)對(duì)電路產(chǎn)生電磁干擾(EMI);由于其直流偏磁動(dòng)態(tài)線性好,通過(guò)計(jì)算可精確控制在額定電流時(shí)的電感值,恰當(dāng)?shù)倪x擇磁心尺寸和線圈匝數(shù),可降低磁芯損耗。根據(jù)樣機(jī)設(shè)計(jì)的技術(shù)指標(biāo),選用鐵硅鋁磁心。磁心的規(guī)格主要由功率、工作頻率、輸出電壓電流等參數(shù)決定。要確定磁心的規(guī)格,先要計(jì)算電感量等參數(shù)。有多種方法可計(jì)算PFC電路的Boost升壓電感,這里采用兩種方法綜合分析確定電感量的值,常用方法和按紋波比例要求計(jì)算電感,最后計(jì)算出電感量為1.5 mH。采用AP法確定磁心的規(guī)格,電感器可儲(chǔ)能量:
式中,BW為工作磁感應(yīng)強(qiáng)度,取BW=0.4 T;K0為窗口面積使用系數(shù),一般取O.4;J為電流密度,取500 A/cm2。
代入以上數(shù)據(jù)計(jì)算得:AP=12.75 cm4,選用Arnold公司型號(hào)為MS-184060-2的兩個(gè)磁環(huán)疊用。此時(shí),AP=17 cm412.75 cm4。電感線徑計(jì)算如下:
計(jì)算裸線面積:
考慮繞線的難易,選線徑為1.0 mm的導(dǎo)線3股并繞。每根截面積為0.007 9 cm2,則3股截面積為0.024 cm2,大于所需面積0.023 cm2。
電感匝數(shù)計(jì)算:
式中,L0為靜態(tài)電感量,1.5 mH;μ為磁心的磁導(dǎo)率,μ=60;N為匝數(shù),計(jì)算得N=77,Ae為磁心截面積,3.98 cm2;le為磁心磁路長(zhǎng)度,10.74 cm。
通過(guò)對(duì)電感量、鐵損和銅損的校驗(yàn),各電感參數(shù)均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。
2.2 主電路其他部件的設(shè)計(jì)
選擇功率開(kāi)關(guān)管要考慮功率器件的開(kāi)關(guān)速度和驅(qū)動(dòng)電路的簡(jiǎn)潔及性?xún)r(jià)比。根據(jù)其電流、電壓應(yīng)力的大小選擇型號(hào)。在該電路中,主功率開(kāi)關(guān)管所承受的電壓應(yīng)力為輸出電壓400V,電流應(yīng)力為諧振電感電流峰值11.55 A,取1倍裕量,因此選擇500 V/30 A的MOSFET即可滿(mǎn)足要求。該設(shè)計(jì)功率開(kāi)關(guān)管選用SPW47N60C3。輸出二極管主要從開(kāi)關(guān)速度、電壓應(yīng)力、電流應(yīng)力等參數(shù)來(lái)選取。該設(shè)計(jì)選用IXYS的DSEI60-06(600 V/60 A)??紤]到電流電壓裕量,輸入整流橋選D35XB60(35A/600 V)。
3 PFC控制級(jí)電路設(shè)計(jì)
以PFC專(zhuān)用控制器件UC3854BN為控制核心,PFC控制及電路如圖2所示。
3.1 PWM頻率設(shè)定
在該電路中,設(shè)定振蕩器的工作頻率為60 kHz。該頻率由電容CT和電阻RSET(R36)決定,已有RSET=16 kΩ,CT可取300 pF/63 V(C57)與1 000 pF/63 V(C42)并聯(lián),此時(shí)工作頻率略高于60 kHz。
3.2 電流誤差放大器和電壓誤差放大器設(shè)計(jì)
為使平均電流控制型電路穩(wěn)定工作,必須使PWM比較器的兩個(gè)輸入信號(hào)的斜率滿(mǎn)足:電感電流在取樣電阻所產(chǎn)生壓降的斜率不能超過(guò)鋸齒波的上升斜率,否則PWM比較器將不能正常工作,此要求限定了電流放大器在開(kāi)關(guān)頻率處增益的上限。對(duì)于電壓誤差放大器,其設(shè)計(jì)應(yīng)確定輸出電容上的紋波電壓,要合理分配諧波源的比例。
3.3 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
根據(jù)實(shí)際驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)值,開(kāi)關(guān)管工作在60 kHz時(shí),其所需要的驅(qū)動(dòng)脈沖上升時(shí)間約為110 ns,所選MOSFET輸入電容Ciss=6 800 pF。由于UC3854BN柵極連續(xù)驅(qū)動(dòng)電流為0.5 A,在50%占空比時(shí)柵極驅(qū)動(dòng)電流為1.5 A,因此在大功率的PFC應(yīng)用中,UC3854BN自身的驅(qū)動(dòng)能力不足,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)di/dt比較小,增大了開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通損耗,故在開(kāi)關(guān)管前增加一片功率MOSFET驅(qū)動(dòng)器TC4424。考慮驅(qū)動(dòng)電流較大,采用TC4424的兩個(gè)通道并聯(lián),可提供3 A的驅(qū)動(dòng)能力,如圖3所示。
此外,系統(tǒng)的保護(hù)電路包括輸入過(guò)壓、欠壓保護(hù),輸出過(guò)壓、欠壓保護(hù)、過(guò)流和短路保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)、啟動(dòng)保護(hù)等。
4 結(jié)論
綜上所述,完成一臺(tái)1 kW樣機(jī)。圖4為輸入電壓、電流波形。負(fù)載為全載時(shí),加載、減載時(shí)輸出電壓變化曲線分別如圖5、圖6所示。
測(cè)試結(jié)果表明,該功率因數(shù)校正裝置輸入功率因數(shù)達(dá)98%,效率達(dá)97%,各項(xiàng)設(shè)計(jì)指標(biāo)都得到了較好的實(shí)現(xiàn)。
評(píng)論