连续调制模式功率因数校正器的设计
较好的折中。本设计中开关频率选择为50kHz,这样电感量的大小合理,尖峰失真小,电感的物理尺寸较小,MOSFET和Boost Diode上的功率耗损也不会过多。在更高功率的PFC设计中,适当降低开关频率可以降低开关损耗。振荡器的工作频率由式(1)决定。
fs=(1)
2.3 Boost电感的选择
电感决定了输入电流纹波的大小,它的电感量由规定的纹波电流给出。
最大峰值电流出现在最小线路电压的峰值处,并由式(2)给定。
ILINE(PK)=×P/Vinmin(2)
电感器中的峰-峰值纹波电流,通常选择在最大峰值线路电流的20%左右,即
ΔI=ILINE(PK)×20%(3)
最低输入电压峰值时的占空比为
D=(4)
因此,电感的取值应该满足
L>(5)
2.4 输出电容的选择
选择输出电容器时应考虑以下因素:开关频率的纹波电流、二次谐波电流、直流输出电压、纹波输出电压和维持时间等。
维持时间Δt是指输入电源被关闭后,输出电压仍然保持在规定范围内的时间长度,其典型值一般为15~50ms,在这个原则下,选取的电容要保证
CO>(6)
2.5 开关管及升压二级管的选择
开关管和升压二极管必须要有足够的额度来保证电路的可靠运行。开关管的额定电流必须大于电感上电流的最大峰值,并留有一定的裕度,对于升压二极管也是同样。升压二极管的trr必须足够小以减少开关管开通瞬间的损耗,同时使二极管的损耗减小。为降低二极管的trr,可以采用两只300V的快恢复二极管串联的方法,并上高阻值的电阻来保持电压平衡。
2.6 电流检测电阻的选择
IPK(max)=ILINE(PK)+(7)
RS=(8)
一般选择1V的电阻压降,既可以有较好的抗噪声能力,又不会产生太大的损耗。
2.7 乘法器的设置
乘法器是功率因数校正的核心。乘法器的输出作为电流环调节器的输入,通过控制输入电流以得到高的功率因数。因此,乘法器的输出是一个表达输入电流的信号,其表达式为
IMO=(9)
式中:IMO为乘法器的输出电流;IAC为乘法器的输入电流;VVEA为电压误差放大器输出;Vff为前馈电压;KM为等于1的常数。
2.8 电流控制环路的设计
电流环开环为一阶积分系统,如图6所示。为使系统稳定地运行,必须对电流环路进行补偿。电流调节器的零点必须处于或小于最大截止频率fCI,此时系统刚好有45°的相角裕量。为了消除系统在开关频率处对噪声的敏感,应在电流调节器中引入一个极点,极点的频率为1/2开关频率,当极点频率大于1/2开关频率时,极点就不会对电流环路的频率响应产生影响。因此在设计电流环时应满足以下特性:
1)电流环开环为一阶积分系统,应有尽可能高的低频增益以减小稳态误差;
2)环路应有尽可能高的穿越频率,以实现快速跟随;
3)环路在开关频率处应呈现衰减特性,以消除环路中的开关噪声;
4)环路应有足够的稳定裕量,使电路具有强鲁棒性。
图6 APFC电路示意图(电流环)
2.9 电压控制环路的设计
为了电路稳定地工作,必须对电压控制环进行补偿,但因为电压控制环路的带宽比开关频率要小,所以对电压控制环路的要求,主要是为了保证输入失真最小。首先,环路的带宽必须足够低,以衰减输出电容上电网频率的二次谐波,保证输入电流的调制量较小;其次,电压误差放大器必须有足够的相移,使得调制出的信号能够与输入电压保持同相,从而获得较高的功率因数。
电压环开环为一阶积分系统,如图7所示。为了减少二次谐波电流引起的失真,电压误差放大器须引入一个极点进行补偿,以减小谐波电压的幅度并提供90°的相移。电压环的最低截止频率为
fVI=(10)
图7 APFC电路示意图(电压环)
其带宽的典型值为10~30Hz,相角裕量为45~70°。在实际的设计中,为使输出电压的稳定性好,在选取截止频率时应选的略高些,电压环有略大于45°的相角裕量。
3 实验数据及波形
对用上述参数设计的APFC电路进行了性能测试,输入电压范围为150~265V,最大输出功率接近2200W,图8、图9及表1给出了实验数据及部分测试波形。
图8 PFC输入电压及电流波形
图9 启动时输出电压波形
表1 实验数据
实验表明应用该方案所设计的APFC电路工作稳定,可以很好地完成设计要求:输入电流的瞬时值跟随输入电压的瞬时值,电流波形近似为正弦波,并且和电压波形同相位,电路的功率因数(PF)达到0.99以上,且总谐波失真(THD)<10%;当负载变化时,直流输出端的电压值基本保持恒定;当交流输入端的电压发生变化时,负载功率基本保持恒定。
5 结语
本文基于Boost电路拓扑,采用连续调制模式(CCM)的平均电流型控制方式,选择UC3854A作为控制核心来设计有源功率因数校正电路。实验证明此方案在中等以上功率的应用中,
- 扩谱调制模式使D类放大器的EMI降至最低(04-14)
- 高效率大功率适配器的研究(01-05)
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- 基于MC56F8323的单相功率因数校正模块的应用(01-05)