基于臨界電流模式的功率因數(shù)校正的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳小琴，馮曉培，李秋如，郭思遠(yuǎn)

(廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

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基于臨界電流模式的功率因數(shù)校正的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

陳小琴，馮曉培，李秋如，郭思遠(yuǎn)

(廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

摘要:為滿足高功率因數(shù)的要求，介紹了一種基于臨界電流模式(TM)的高效優(yōu)化的頻率補(bǔ)償電路。文中分析了有源功率因數(shù)校正(APFC)的工作原理，推導(dǎo)了頻率補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)和參數(shù)計(jì)算方法，并以L6562D為控制芯片，設(shè)計(jì)了一臺(tái)250 W功率因數(shù)校正電路的樣機(jī)，對(duì)設(shè)計(jì)電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在優(yōu)化頻率補(bǔ)償下，功率因數(shù)可達(dá)0.998，效率可達(dá)96.7%，提高了功率因數(shù)和效率。

關(guān)鍵詞：有源功率因數(shù)校正；L6562D；頻率補(bǔ)償

0　引　言

隨著電力電子設(shè)備功率因數(shù)要求的不斷提高，PFC電路得到了較大發(fā)展。目前采用升壓式作為主電路的功率因數(shù)校正(PFC)電路的控制方法有變頻脈寬控制和固定頻率脈寬控制。對(duì)不同功率等級(jí)而言，臨界導(dǎo)通模式(TM)、斷續(xù)電流模式(DCM)以及固定頻率平均電流模式(CCM)分別在小功率、中功率和大功率場(chǎng)合得到了充分應(yīng)用[1-2]。TM控制的穩(wěn)定性高、對(duì)負(fù)載擾動(dòng)的響應(yīng)很快。電感電流工作在CCM和DCM的臨界狀態(tài)。

針對(duì)文獻(xiàn)[3]，本文以ST公司的L6562D作為主電路的控制芯片，設(shè)計(jì)了一種基于Boost拓?fù)涔ぷ饔谂R界電流模式的APFC電路，高效優(yōu)化了APFC電路關(guān)鍵參數(shù)，有效提高了APFC的功率因數(shù)和效率，降低了輸入電流諧波。文中針對(duì)反饋補(bǔ)償，給出了頻率補(bǔ)償計(jì)算過程。

1　臨界電流模式(TM)的原理

1.1　有源功率因數(shù)校正技術(shù)(APFC)

有源功率因數(shù)校正是在橋式二極管整流器與輸出直流負(fù)載之間插入一個(gè)由電力電子開關(guān)器件、電感、電容等構(gòu)成的子電路，通過對(duì)電力電子開關(guān)器件的PWM控制，使整流電路輸入電流在一個(gè)工頻周期中跟蹤電網(wǎng)輸入電壓正弦波的變化，以實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正[4]。如圖1所示。

圖1 有源功率因數(shù)校正電路輸入電壓、電流波形

1.2　臨界電流模式(TM)的APFC原理

在臨界電流模式下，電路工作在CCM和DCM的邊界。TM單相Boost型PFC變換器如圖2所示，輸入交流電壓Us經(jīng)過二極管全橋整流后獲得直流電壓Ud，經(jīng)過電阻分壓后得到一個(gè)饅頭形波形信號(hào)Ud1，用于電感電流波形控制。將參考電壓Uref和Boost型變換器的輸出電壓UO的反饋信號(hào)分別送入電壓調(diào)節(jié)器(VA)進(jìn)行誤差計(jì)算，VA輸出的ISM反映了PFC變換器需要向負(fù)載輸出功率的大小。由于電壓外環(huán)的帶寬設(shè)計(jì)得較低，因此在一個(gè)工頻周期里，VA輸出可視為恒定。通過乘法器MP,將VA輸出的近似直流信號(hào)ISM與饅頭形波形，跟蹤電網(wǎng)瞬時(shí)電壓波形變化。

電流控制環(huán)采用峰值電流控制，電流傳感器測(cè)得的開關(guān)管電流一旦達(dá)到電流參考信號(hào)iref，比較器反轉(zhuǎn)，復(fù)位RS鎖存器，關(guān)斷開關(guān)管。于是Boost型變換器進(jìn)入電感電流通過Boost型二極管向負(fù)載傳遞能量的階段，隨著時(shí)間的推移，電感中的磁能逐步減小，最后電感電流減小到零。一旦電感電流過零以后，過零檢測(cè)電路就發(fā)生一個(gè)脈沖信號(hào)，置位RS觸發(fā)器，于是再次開通開關(guān)管，電路進(jìn)入一個(gè)新的開關(guān)周期。通過在Boost型電感上增加一個(gè)輔助繞組，用于電感電流過零檢測(cè)(ZCD)。

Boost變換器工作在TM下，電感電流呈三角波波形，電感電流平均值的波形近似為正弦波，并且與輸入電壓同相位，達(dá)到了功率因數(shù)校正的目的，如圖3。

圖2 臨界電流模式Boost型PFC變換器

圖3 TM模式下各電流波形

2　APFC電路優(yōu)化參數(shù)的計(jì)算

本文中APFC樣機(jī)的輸入電壓范圍為85 VAC～265 VAC,輸出電壓Uout=400 V，輸出功率Pout=250 W，采用基于L6562D的Boost APFC電路。在本設(shè)計(jì)中，電感的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，如果其設(shè)計(jì)不合理，會(huì)使功率因數(shù)降低或電路無法正常運(yùn)行。所以，本文主要分析電感的計(jì)算，以及控制電路外圍參數(shù)的設(shè)計(jì)。

2.1　主電路參數(shù)計(jì)算

由于電路工作于變頻控制方式，頻率變化范圍大，為避免電感磁飽和，計(jì)算電感時(shí)要按最低開關(guān)頻率考慮。開關(guān)管的開通時(shí)間是固定的，在sinθ=1時(shí)，開關(guān)頻率最??；sinθ=0時(shí)，開關(guān)頻率最大，toff為零。設(shè)電感量為L，開關(guān)管的開通時(shí)間為Ton，關(guān)斷時(shí)間為Toff，輸入功率為Pin，電感的峰值電流為ILpk，取最小開關(guān)頻率為fswmin=50 kHz。因此：輸入功率為：

(1)

電感的峰值電流為：

(2)

電感電流的有效值為：

(3)

所以,電感量為：

(4)

通過以上計(jì)算本實(shí)驗(yàn)所取的電感量為0.15 mH。

因此，導(dǎo)通時(shí)間為：

(5)

式中，UAC取220 V。

最大關(guān)斷時(shí)間為

(6)

最小開關(guān)頻率：

(7)

與之前假設(shè)的最小開關(guān)頻率相吻合，所以選取的電感量0.15 mH是合理的。

電感量L確定后，依據(jù)AP法則來選取磁芯。AP法的計(jì)算如式(8)。

(8)

式中：L是電感量，ILrms是電感電流的有效值，ILpk是電感的峰值電流，Ku是填充系數(shù)，一般取0.3，Jc是電流密度，取5 A/mm2，最大工作磁通密度取0.3 T。通過式(8)，最終選擇EE30的磁芯，Ae=107.36 mm2。

根據(jù)所選擇的磁芯計(jì)算原邊的匝數(shù)，副邊匝數(shù)一般按照8：1選取。

(9)

式中：δ是氣隙，取2.5 mm；L是電感量；μ0是空氣相對(duì)磁導(dǎo)率，取4π×10-7H/m；Ae是磁芯的有效截面積；Np取54。將Np代入式(10)，可得到最大工作磁通密度Bm。

(10)

將Np、L、ILpk代入上式，可得Bm=0.23 T，小于0.3 T，所計(jì)算的匝數(shù)符合要求。副邊匝數(shù)為：

(11)

取Ns=7。

2.2　控制電路中的頻率補(bǔ)償計(jì)算

L6562D的頻率補(bǔ)償發(fā)生在引腳1、2之間，其補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以有效地提高電壓控制環(huán)路的穩(wěn)定性，以及確保更高的功率因數(shù)和低的THD。L6562D沒有前饋控制芯片。采用Venable's 的K系數(shù)法[4]來計(jì)算，已知工作頻率fL=50 kHz，電流采樣電阻RS=0.167 Ω，乘法器的增益Km=0.6，乘法器的輸入分頻器增益Kp=0.01，最小輸入電壓是Uacmin=85 V，最大輸入電壓是Uacmax=265 V，輸出電容CO=100 μF,三次諧波失真度D3=1.224×10-6。

如圖4，參數(shù)的計(jì)算分以下7個(gè)步驟[5]。

圖4 Π型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

(1)在PFC的輸出電壓中存在一個(gè)頻率是2fL的二次紋波，其紋波電壓是：

(12)

L6562D的有效控制電壓是：

(13)

式中，Km為乘法器的增益；Kp為乘法器輸入分壓比，均可根據(jù)L6562D的芯片資料手冊(cè)獲得。

(2)計(jì)算誤差比較器EA的增益

(14)

(3)計(jì)算PFC小信號(hào)模型的增益

(15)

(4)確定α、K系數(shù)

(16)

求解以上方程組可得，α=2.403，K=3.138。

(5)計(jì)算系統(tǒng)控制環(huán)路增益

(17)

(6)計(jì)算零點(diǎn)頻率和極點(diǎn)頻率

(7)根據(jù)圖4計(jì)算補(bǔ)償電阻電容的參數(shù)

(20)

實(shí)際中CFP取220 nF。

根據(jù)以上的7個(gè)步驟可以計(jì)算出電壓控制環(huán)路中頻率補(bǔ)償?shù)膮?shù)。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

根據(jù)以上分析制得一臺(tái)250 W的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，樣機(jī)的基本設(shè)計(jì)條件如下：輸入電壓范圍為85～265 V，輸出電壓400 V，輸出功率250 W，最小工作頻率50 kHz。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)由泰克DPO3034數(shù)字示波器采集，并由origin9軟件處理得到測(cè)試波形。圖5給出了MOS管漏極與源極之間和驅(qū)動(dòng)的電壓波形。通過波形可以看出，MOS管可以實(shí)現(xiàn)零電壓開通。

圖5 MOS管的驅(qū)動(dòng)和漏源極波形

如圖6所示Uin有效值230 V，輸出功率Po=250 W時(shí)Iin的波形 。圖6(a)為無頻率補(bǔ)償電路的情況，圖6(b)為有頻率補(bǔ)償電路的情況，可見輸入電流的波形得到了有效抑制。

圖6 輸入電流波形

圖7為樣機(jī)在220 V輸入電壓下的輸入電流波形和輸入電壓波形，PF值為0.998，此時(shí)，輸入電壓和輸入電流相位基本一致。表1給出了不同輸入電壓下樣機(jī)的PF值和效率，從表中數(shù)據(jù)可看出，樣機(jī)效率可達(dá)96.68%。

圖7 220V下輸入電流和電壓的波形

表1　不同輸入電壓下電源的PF和效率

4　結(jié)　論

本文介紹了基于L6562D功率因數(shù)校正電路的特點(diǎn)和工作原理，以及電路中主要參數(shù)和頻率補(bǔ)償?shù)挠?jì)算過程，并制得樣機(jī)，測(cè)試了其工作波形和不同輸入電壓下PF值和效率。各項(xiàng)性能指標(biāo)均比較理想。

參考文獻(xiàn)：

[1]賁洪奇.開關(guān)電源中的有源功率因素校正技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

[2]Kim J W,A M Choi.Variable On-time Cont-Control of the Critical Conduction Mode Boo-st Power Factor Correction Converter to Impr-ove Zero-crossing Distortion [C].International Conference on Power Electronics and Drices Systems, 2005:997-1101.

[3]陶以彬，楊波.基于L6562高功率因數(shù)boost電路的設(shè)計(jì)[J].電子元器件應(yīng)用，2009，11(10):10-13.

[4]徐德鴻,李睿,劉昌金.整流器技術(shù)：有源功率因素校正技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013.

[5]Dixon L.Optimizing the Design of a High Power Factor Switching Preregulator[Z]. SLUP0-93, SEM700.

設(shè)計(jì)應(yīng)用

Design and Application of APFC Based on TM Control

CHEN Xiao-qin, FENG Xiao-pei, LI Qiu-ru, GUO Si-yuan

(School of Information Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Abstract:A frequency compensating circuit with efficient optimization based on the critical current mode(TM) is introduced to meet requirements of high power factor. The working principle of the active power factor correction (APFC) is analyzed in this article, and the parameter computational method of the frequency compensating circuit is derived. Taking L6562D as the control chip, a 250 W power factor correction circuit prototype is designed to verify the validity of the design procedure. The experimental results show that the power factor can be 0.998, and the efficiency can reach 96.7% with the optimized frequency compensation. And the power factor and the efficiency are improved.

Key words:active power factor correction; L6562D; frequency compensation

中圖分類號(hào)：TM464

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3664(2015)02-0050-03