微波EDA网,见证研发工程师的成长!
首页 > 硬件设计 > 电源设计 > 单级功率因数校正(PFC)变压器的设计

单级功率因数校正(PFC)变压器的设计

时间:09-17 来源:互联网 点击:

1引言

为了减少对交流电网的谐波污染,国际上推出了一些限制电流谐波的标准,如IEC 1000- 3-2,它要求开关电源必须采取措施降低电流谐波含量。

为了使输入电流谐波满足要求,必须加入功率因数校正(PFC)。目前应用得最广泛的是PFC级+DC/DC级的两级方案,它们有各自的开关器件和控制电路。这种方案能够获得很好的性能,但它的缺点是电路复杂,成本高。

在单级功率因数校正变换器[1]中,PFC级和DC/DC级共用一个开关管和一套控制电路,在获得稳定输出的同时实现功率因数校正。这种方案具有电路简单、成本低的优点,适用于小功率场合。本文介绍了一种单级PFC变换器的基本原理及其设计过程。

2单级PFC变换器

单级PFC变换器的原理图如图1所示,是一种基于脉宽调制(PWM)的变换器。变换器的PFC级采用Boost电感电路,而DC/DC级采用双管单端正激电路结构。

PWM集成芯片采用了UC3842,是一种电流型控制的专用芯片,具有电压调整率高、外围元器件少、工作频率高、启动电流小的特点。其输出驱动信号通过隔直电容,连接在驱动变压器原边。驱动变压器采用副边双绕组结构,得到两路同相隔离的驱动信号,从而实现了 DC/DC级的双管驱动。

变换器的过流保护由电阻R9检测到开关管的过流信号,封锁UC3842的输出信号,实现过流保护。电压负反馈控制由电阻R12和R13获得输出电压信号。

变换器的工作原理简述如下:当变换器接通电源时,输入交流电压整流后的直流电压经电阻R17降压后,给UC3842提供启动电压。进入正常工作后,二次绕组N3提供UC3842的工作电压(12 V);绕组N2的高频电压经整流滤波,由TL431获得偏差信号,经光耦隔离后反馈到UC3842,去控制开关管的导通与截止,实现稳压的目的。在一个开关周期Ts内,控制Boost电感工作在不连续导电模式(DCM)下,使得输入电流波形自然跟随输入电压波形,从而实现了功率因数校正。

3变换器的设计

3.1 EMI滤波器的设计

EMI滤波器能有效地抑制电网噪声,提高电子仪器、计算机和测控系统的抗干扰能力及可靠性[2]。单级PFC变换器的PFC级工作在不连续导电模式下,其输入电流波形为脉动三角波,因此其前端需添加EMI滤波器以滤除高频纹波。


EMI滤波器电路如图1所示,包括共模扼流圈(亦称共模电感)和滤波电容。共模电感主要用来滤除共模干扰,其电感量与EMI滤波器的额定电流有关。本文中的单级PFC变换器的额定电流为1 A,取共模电感值为15 mH。滤波电容C11和C13主要滤除串模干扰,容量大致为0.01μ F~0.47 μ F。C14和C15跨接在输入端,并将电容器的中点接地,能有效抑制共模干扰,容量范围是2200 pF~0.1 μ F。

3.2功率器件的选取

变换器的开关器件一般均选用功率场效应管(MOSFET),依据输入最高电压时输出最大电流的要求来确定其电压与电流等级,并预留有1.5~2倍的电压和2~3倍的电流裕量。在单管变换器中,开关器件的电压UCEO通常可按经验公式选取


式中:Udmax为漏源极的最大电压;

D为占空比。

开关器件的电流按高频变压器一次绕组的最大电流来确定。本文中,由于采用双管电路结构,每个开关管所承受的电压为UCEO的一半,故选用耐压500 V、电流8 A的IRF840。变换器中PFC级的二极管选用了超快速恢复二极管,而DC/DC级整流输出端选用肖特基整流二极管,以减小二极管的压降。

3.3变换器电感的设计

在单级PFC变换器中,为了实现功率因数校正,通常控制PFC级的Boost电感工作在不连续导电模式;而为了提高变换器的率,DC/DC级一般采用连续导电模式,在一个开关周期内,通过L1和L2的电流如图2所示。为了使Boost电感工作于DCM,则有


式中:RL为变换器的负载电阻;

L1为Boost电感值;

Ts为变换器的开关周期;

D为占空比;

η为变换器的效率;

UC1为中间储能电容上的电压;

Uo为输出电压。

为了使得DC/DC级工作在连续导电模式下,则有


式中:L2为DC/DC级的储能电感值。

在本文中,要求Ts=8.33 μ s,D=0.2, Uo=16 V,RL=2.133 Ω,UC1=380 V。故选取L1=100 μH,L2=20μH。

功率因数校正的实验结果如图3所示。图中,第一条波形是交流输入电压经整流桥后的电压波形,第二条波形是流经Boost电感L1的电流波形,近似于正弦波。实验得到的功率因数为0.97。

3.4高频变压器的设计

高频变压器是变换器的核心元件,它的性能好坏不仅影响其本身的发热和效率,而且还会影响到变换器的技术性能和可靠性。

1) 磁芯的选用

本文的负载设计为Uo=16V,Io=7.5A,由高频变压器的二次绕组N2绕组提供。而绕组N3提供UC3842的工作电源,其输出功率很小,可忽略。由设定条件可知,高频变压器的输出功率为

Copyright © 2017-2020 微波EDA网 版权所有

网站地图

Top