單級功率因數(shù)校正(PFC)變換器的設(shè)計(jì)
摘要:介紹了一種單級功率因數(shù)校正(PFC)變換器,重點(diǎn)討論了變換器的主要設(shè)計(jì)。
本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/179416.htm關(guān)鍵詞:變換器;單級功率因數(shù)校正;設(shè)計(jì)
1 引言
為了減少對交流電網(wǎng)的諧波污染,國際上推出了一些限制電流諧波的標(biāo)準(zhǔn),如IEC1000-3-2,它要求開關(guān)電源必須采取措施降低電流諧波含量。
為了使輸入電流諧波滿足要求,必須加入功率因數(shù)校正(PFC)。目前應(yīng)用得最廣泛的是PFC級+DC/DC級的兩級方案,它們有各自的開關(guān)器件和控制電路。這種方案能夠獲得很好的性能,但它的缺點(diǎn)是電路復(fù)雜,成本高。
在單級功率因數(shù)校正變換器[1]中,PFC級和DC/DC級共用一個開關(guān)管和一套控制電路,在獲得穩(wěn)定輸出的同時實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。這種方案具有電路簡單、成本低的優(yōu)點(diǎn),適用于小功率場合。本文介紹了一種單級PFC變換器的基本原理及其設(shè)計(jì)過程。
2 單級PFC變換器
單級PFC變換器的原理圖如圖1所示,是一種基于脈寬調(diào)制(PWM)的變換器。變換器的PFC級采用Boost電感電路,而DC/DC級采用雙管單端正激電路結(jié)構(gòu)。
圖1 單 級 功 率 因 數(shù) 校 正 變 換 器 的 原 理 圖
PWM集成芯片采用了UC3842,是一種電流型控制的專用芯片,具有電壓調(diào)整率高、外圍元器件少、工作頻率高、啟動電流小的特點(diǎn)。其輸出驅(qū)動信號通過隔直電容,連接在驅(qū)動變壓器原邊。驅(qū)動變壓器采用副邊雙繞組結(jié)構(gòu),得到兩路同相隔離的驅(qū)動信號,從而實(shí)現(xiàn)了DC/DC級的雙管驅(qū)動。
變換器的過流保護(hù)由電阻R9檢測到開關(guān)管的過流信號,封鎖UC3842的輸出信號,實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)。電壓負(fù)反饋控制由電阻R12和R13獲得輸出電壓信號。
變換器的工作原理簡述如下:當(dāng)變換器接通電源時,輸入交流電壓整流后的直流電壓經(jīng)電阻R17降壓后,給UC3842提供啟動電壓。進(jìn)入正常工作后,二次繞組N3提供UC3842的工作電壓(12V);繞組N2的高頻電壓經(jīng)整流濾波,由TL431獲得偏差信號,經(jīng)光耦隔離后反饋到UC3842,去控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止,實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。在一個開關(guān)周期Ts內(nèi),控制Boost電感工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)下,使得輸入電流波形自然跟隨輸入電壓波形,從而實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。
3 變換器的設(shè)計(jì)
3.1 EMI濾波器的設(shè)計(jì)
EMI濾波器能有效地抑制電網(wǎng)噪聲,提高電子儀器、計(jì)算機(jī)和測控系統(tǒng)的抗干擾能力及可靠性[2]。單級PFC變換器的PFC級工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式下,其輸入電流波形為脈動三角波,因此其前端需添加EMI濾波器以濾除高頻紋波。
EMI濾波器電路如圖1所示,包括共模扼流圈(亦稱共模電感)和濾波電容。共模電感主要用來濾除共模干擾,其電感量與EMI濾波器的額定電流有關(guān)。本文中的單級PFC變換器的額定電流為1A,取共模電感值為15mH。濾波電容C11和C13主要濾除串模干擾,容量大致為0.01μF~0.47μF。C14和C15跨接在輸入端,并將電容器的中點(diǎn)接地,能有效抑制共模干擾,容量范圍是2200pF~0.1μF。
3.2 功率器件的選取
變換器的開關(guān)器件一般均選用功率場效應(yīng)管(MOSFET),依據(jù)輸入最高電壓時輸出最大電流的要求來確定其電壓與電流等級,并預(yù)留有1.5~2倍的電壓和2~3倍的電流裕量。在單管變換器中,開關(guān)器件的電壓UCEO通??砂唇?jīng)驗(yàn)公式選取
UCEO=Udmax/(1-D) (1)
式中:Udmax為漏源極的最大電壓;
D為占空比。
開關(guān)器件的電流按高頻變壓器一次繞組的最大電流來確定。本文中,由于采用雙管電路結(jié)構(gòu),每個開關(guān)管所承受的電壓為UCEO的一半,故選用耐壓500V、電流8A的IRF840。
變換器中PFC級的二極管選用了超快速恢復(fù)二極管,而DC/DC級整流輸出端選用肖特基整流二極管,以減小二極管的壓降。
3.3 變換器電感的設(shè)計(jì)
在單級PFC變換器中,為了實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正,通常控制PFC級的Boost電感工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式;而為了提高變換器的效率,DC/DC級一般采用連續(xù)導(dǎo)電模式,在一個開關(guān)周期內(nèi),通過L1和L2的電流如圖2所示。
圖 2 開 關(guān) 周 期 內(nèi) 通 過L1和L2的 電 流
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