开关电源功率因数校正系统设计技术

1、第18卷第2期佛山科学技术学院学报(自然科学版V o l.18N o.2 2000年6月Jou rnal of Fo shan U n iversity(N atu ral Science Editi onJun.2000文章编号:100820171(2000022*开关电源功率因数校正系统设计技术李先祥(佛山科学技术学院工学院,广东佛山528000摘要:设计了开关电源功率因数校正系统的框图和电路图,讨论了此系统设计中几个关键性实际问题,给出了解决措施,实验和仿真结果表明了其有效性。关键词:功率因数校正;放大器;开关电源中图分类号:TM76文献标识码:A1系统简介近年来,因开关电源应用日益普及

2、,给电力系统带来了严重的谐波污染和功率因数下降问题。这使功率因数校正(Pow er facto r co rrecti on技术(简称PFC成为电力电子技术研究的一个新热点。PFC技术的目的 就是通过一定的控制方法,使电源的输入电流接近于正弦波且与输入电压同相,使功率因数接近1。随着PFC技术的发展,其控制策略也日趋完善,多种多样,出现了峰值电流型、平均电流型、电压控制型等1,2。本系统采用平均电流控制技术原理,利用PFC集成控制芯片U C3854A,设计完成了一套PFC控制电路。此系统既能控制输入电流,又能控制输出电压,具有双环控制特点。PFC控制原理,见图1。图1PFC控制原理图有源PFC

3、电路的功率级采用boo st调节器,其特点为输入电流连续,传导噪声低以及收稿日期:1999211223基金项目:佛山科学技术学院科研项目作者简介:李先祥(19652,男,副教授,硕士,主要从事电力自动化控制技术的研究。输入有良好的波形,但缺点为输出电压较高。图1中电压环由平方器,除法器、乘法器以及电压误差放大器组成,电压误差放大器的输出在它与已整流输入电压信号相乘前除于输入电压平均值的平方。这个外加电路使电压环的增益为常数。如果没有它,电压环的增益将随着输入电压平均值的平方而改变。输入电压的平均值称为前馈电压(U ff ,其作用是进行电压环的开环校正。电流环是由电流检测电阻、电流误差放大器等组

4、成。它将乘法器的输出作为电流编程信号,控制Boo st 电路的输入电流以很小误差跟踪编程信号。由于电流编程信号是由电压误差放大器的输出与电网整流电压相乘的结果。因而输入电流具有良好的正弦性,且能控制调节输出电压。电流环输出给PWM 波的生成电路,控制产生PWM 波,从而控制功率开关管通断实现DC -DC 的变换。U C 3854A 实现的大功率PFC 电路图,见图2 。图2U C 3854A 实现的大功率PFC 电路图2PFC 设计中若干技术问题2.1U C 3854A 使用简介新型的PFC 控制芯片U C 3854A 的内部结构框图如图3。U C 3854A 是包括了平均电流型PFC 所需的

5、全部控制功能的单片集成电路。它是U C 3854的改进产品,在频带宽度,响应速度、开启电流,乘法器性能等方面均有较大的改善。U C 3854A 主要由电压放大器、模拟乘法器、电流放大器和定频脉宽调制器组成。此外还包括与功率M O SFET 兼容的栅极驱动器、7.5V 电压基准、软启动控制、电流比较器等。图3左上方是欠压锁定比较器和使能比较器,这两个比较器的输出确定是否允许器件工作,电压放大器的反相输入端连到11端称为U SEN SE ,放大器周围的二极管表示内部电路功能,而不代表器件内部实际结构。3V 直流参考电压连到电压放大器同相端,同时用作软2佛山科学技术学院学报(自然科学版第18卷 图3

6、U C 3854A 内部结构框图启动功能。通电的瞬间电压被放大,参考电压被短接到0V ,同时内部一恒流源对外电容充电,参考电压逐步上升到3V ,这样就使驱动脉冲的占空比从0缓慢上升,从而消除了导通时的过充。电压误差放大器的输出在U C 3854A 的7脚引出,同时它也是乘法器的一个输入,乘法器的另一个输入是6脚(I A C ,接电网电压整流后输入电流信息。前馈电压U ff 等从8脚输入,将U ff 平方后送至乘法器。乘法器的输入电流I M 流出5脚。同时它连至电流误差放大器的同相输入端。电流编程信号与电流检测信号在此求和。电流放大器的输出与振荡器产生的锯齿波电压比较,其结果触发R 2S 锁存器

7、,然后驱动图腾柱结构的M O SFET 栅极驱动器。2.2前馈电压滤波器的设计电网电压整流后的前馈电压具有相当数量的二次和高次谐波,若这些谐波出现在前馈输入信号中,经过乘法器进入电流编程信号最终引起输入电流的畸变。毫无疑问,为了达到输入电流失真小,前馈电压纹波应很小。若用截止频率很低的单极点滤波器,可以很好地衰减纹波,但其响应速度慢。单极点滤波器见图4。其传递函数5(s =1(T s +1,动态调节时间t s =3T (=5%,截止频率f R =1 (2T 。若截止频率选择低,则系统响应速度慢,然而在PFC 电路中,又希望前馈电压能快速响应输入电压变化。所以, 笔者设计了一个两极点图4单极点滤

8、波器图5双极点滤波器滤波器(见图5。其传递函数5(s =1(T 1s +1(T 2s +1选择T 1=2T 2此时动态调节时间T s =3.5T 1(=5%,通过分析单极点、双极点幅频特性,可看出相同的滤波效果时,双极点滤波器的响应速度快。3第2期李先祥:开关电源功率因数校正系统设计技术2.3电流误差放大器的稳定性补偿分析从U C3854A控制的平均电流型PFC电路图可看出,乘法器输出与电流检测信号求和后,经电流误差放大器放大后与锯齿波比较,产生开关管的PWM控制信号。开关管Q导通时,电感电流I L上升斜率为U i L(U i为Boo st电路输入电压。Q关断后I L下降斜率为(U0-U i

9、L。电流误差放大器的输出电压U3=K(I M R M-I L R s,其中K为电流误差放大器增益,I M为乘法器输出电流。由于开关频率取80KH z,在一个开关周期内可近似认为乘法器输出电流I M为常数,则Q导通时,U3下降斜率为(K R s U iL。Q关断时U3上升斜率为K R s(U0-U i L。U3的上升斜率必须小于或等于锯齿波斜率,否则环路将不稳定,从而引起输出电流波形出现尖峰。这就要求适应补偿电流误差放大器,以使其增益能保证U3的最大上升斜率(KU0R s L(U i=0时等于锯齿波的斜率。2.4尖刺失真尖刺失真出现在电网交流输入电压过零处。当输入电压接近零时,开关闭合,只有很小

10、电压加在电感上,电感电流出现断续,使输入电流在零点附近不能跟随编程信号。此时输入电流为一个个的“尖刺”。为减小这种尖刺失真,可提高开关管的开关频率,或者减小电感L 的大小,但减小电感会使输入电流纹波增大,故在实际选择参数时应折衷考虑。2.5功率电路参数选择原则电感的作用是限制高频纹波的数值,电感大,高频纹波电流值相对小,但尖刺失真严重,电感小,尖刺失真小,而纹波大。因此,选择电感时需综合考虑这两方面的因素。通常按20%最大峰值电流的纹波电流来选择电感。L的选择公式为L=2U im inD f sI,其中:U im in电网输入电压的最小值;f s开关频率;I0.2I PK;I PK最大峰值电流

11、;D最大峰值电流处的占空比。输出电容的选择是在输入电源关断后,在规定的范围内输出电压能保持一段时间(15 50m s。由于保持时间与输出的电容存贮能量、负载功率、输出电压和负载工作下最小电压有关。由此可推出输出电容选择公式为C0=2P outt U20-U2m in,其中:C0输出电容;P out负载功率;t负载电压保持时间;U0输出电压;U m in负载工作的最小电压。在大功率PFC电路中,由于输出电容很大,开关频率高,电容器的ESR、ESL的影响就需要考虑。为了抑制尖峰提高滤波效果,应采用高频电容,同时尽量缩短电容的引线减少分布电感,并且采用多个小容量的电容器并联,减少输出电容的ESR。4

12、佛山科学技术学院学报(自然科学版第18卷功率开关管和二极管必须有足够的裕量以保证器件可靠工作,电流额定值需大于电感的最大峰值电流,且留有23倍裕量,电压额定值需大于输出电压且留有2倍以上的裕量,输出二极管需采用快恢复二极管,以减少功率开关导通损耗,并使其自身损耗小。3仿真结果和实验结果根据以上分析,笔者设计了一套开关电源功率因数校正系统,输入电压U i=220V输出电压U0=400V,输出负载功率P0=1000W,对于实验电路,利用PSP I CE软件进行了仿真,而且进行了实验测试。仿真输入电流波形见图6,实验电路输入电压电流波形见图7。从仿真和实验结果可看出,加功率因数校正系统后输入电流具有

13、良好的正弦性 。图6输入电流仿真波形图7输入电压电流实验波形参考文献:1张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计M.北京:电子工业出版社,1999.4202450.2丁道宏.功率电子学M.南京:南京航空航天大学出版社,1993.2002250.D esign i ng the power factor correctionsystem for the sw itch power and thetechn iques i nvolvedL I X ian2x iang(Engineering Schoo l,Fo shan U niversity,Fo shan528000,Ch inaAbstract:T h is p ap er begin s w ith a b rief in troducti on to the p rinci p le of pow er facto r co r2 recti on system and is fo llow ed by a discu ssi on abou t the p ractical p rob lem s invo lved in the design ing of the system.T he m easu res of so lu ti on to these p rob lem s