一款低諧波高功率因數(shù)AC/DC開關(guān)電源變換器設(shè)計(jì)

隨著生產(chǎn)的發(fā)展和技術(shù)的進(jìn)步，特別是各種具有整流入端的電力電子負(fù)載的廣泛應(yīng)用，即各種非線性的、時(shí)變的負(fù)載和設(shè)備的大量涌現(xiàn)，電力系統(tǒng)中產(chǎn)生大量諧波并對(duì)電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行產(chǎn)生威脅。電力系統(tǒng)的諧波問題和低功率因數(shù)問題，主要由各種中小負(fù)載和設(shè)備的電子電源和電力電子裝置造成的，它們是最嚴(yán)重的污染源。

因此應(yīng)采用有效的措施，降低電子電源和電力電子裝置的諧波，提高功率因數(shù)。目前絕大部分電子電源都采用如圖1-a所示的非控二極管整流、濾波大電容和開關(guān)穩(wěn)壓電路結(jié)構(gòu)，把AC電源變換成DC電源。這種AC/DC變換電路的輸入電壓雖為正弦波，但輸入電流卻發(fā)生了畸變，如圖1-b所示，造成電網(wǎng)側(cè)輸入電流嚴(yán)重的非正弦化輸入電流非正弦化必然導(dǎo)致電流總諧波失真(THD)高和功率因數(shù)(PF)低(這種AC/DC變換器線路功率因數(shù)一般只有0.5～0.7，造成的諧波含量很高，僅3次諧波就達(dá)6O以上)，影響整個(gè)電力系統(tǒng)的電氣環(huán)境及用電設(shè)備的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

有源功率因數(shù)校正(APFc)原理

提高電子電源的功率因數(shù)，抑制其電流諧波畸變，目前有無源校正和有源校正兩種方案。無源校正是在電路中串聯(lián)(或并聯(lián))無源LC諧振回路，使電路入端電流接近正弦波；有源校正是在電路中加入有源控制電路，使入端電流在一定程度上可控，從而校正電流波形，實(shí)現(xiàn)低諧波，高功率因數(shù)；有源校正電路比無源校正電路在效率、重量和成本等方面均有優(yōu)勢(shì)。因此對(duì)中小功率應(yīng)用，最有效的措施是采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)。有源校正方案在實(shí)現(xiàn)過程中，有降壓變換型、升壓變換型和反激變換型。其中降壓變換型功率因數(shù)校正電路的輸出電壓難于控制}而反激變換型功率因數(shù)校正電路的峰值電流比較高，所以功率容量差；升壓型功率因數(shù)校正電路的輸入電壓范圍寬，一般認(rèn)為是最合適的電子電源功率因數(shù)校正電路。

升壓型有源功率因數(shù)校正技術(shù)主要是控制已整流后的電流，使之在對(duì)濾波大電容充電之前，能與整流后的電壓波形同相，從而避免了電流脈沖的形成，達(dá)到改善功率因數(shù)的目的。電路原理如圖2-1所示，在工作過程中，輸入電感L。中的電流受到連續(xù)監(jiān)控和調(diào)節(jié)，使之能跟隨并與整流后單相正弦電壓成比例。通過乘法器實(shí)現(xiàn)由輸入誤差信號(hào)V和輸入電壓來調(diào)控正弦基準(zhǔn)電流I的幅度，從而達(dá)到調(diào)整輸出電壓的目的。有源功率因數(shù)校正電路盡管作用明顯，但控制電路比較復(fù)雜，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，專用于APFC的Ic電路已對(duì)設(shè)計(jì)高功率因數(shù)、低諧波失真的各類電子電路提供了技術(shù)支持。

MC34261的電路結(jié)構(gòu)與特點(diǎn)

MC34261單片Ic主要采用雙列直播式8腳塑封，其引腳定義如圖3-1所示。

其中腳1(VFB)為反饋電壓輸入端}腳2(COMP)為誤差放大器輸入端，與腳1接有補(bǔ)償元件；腳3(MULTIN)為乘法器輸入端；腳4(c.S+)為電流傳感輸入；腳5(I一)為零電流檢測(cè)輸入；腳6(GND)為接地腳；腳7(V。)為PWM驅(qū)動(dòng)輸出端，直接驅(qū)動(dòng)MOSFET；腳8(V)提供正電源電壓。MC34261由內(nèi)部電源、欠壓鎖定、誤差放大器、一象限乘法器、電流傳感比較器、零電流檢測(cè)器、電流檢測(cè)邏輯及驅(qū)動(dòng)輸出等單元電路組成。內(nèi)部功能框圖如圖3-2所示。

MC34261的啟動(dòng)閥值電壓為10土0+8V，啟動(dòng)電流是0.3mA，工作電流典型值是7.1mA，峰值驅(qū)動(dòng)輸出電流為0.5A，動(dòng)耗不大于0.8W。除欠壓鎖定之外，MC34261的保護(hù)功能還包括輸出箝位、峰值電流限制等。MC34261屬于可變頻率不連續(xù)電流型功率因數(shù)控制Ic。與固定頻率不連續(xù)電流型控制Ic比較，MC34261可提供更高的APFC能力和更低的liD。MC34261的引腳排列和引腳功能與SILICINGENERAl公司的SG3561A和三星公司的KA7524相同，性能等效于西門子公司的TDA4817，但引腳排列不同。APFC型AC/DC電源變換器電路結(jié)構(gòu)和工作波形。

以升壓型有源功率因數(shù)校正IC電路MC34261為基礎(chǔ)的(開關(guān))電源變換器的設(shè)計(jì)思想是把MC34261作為APFC前置調(diào)節(jié)器，置于二極管整流電路中，監(jiān)控入端電流，使電流波形跟蹤電壓波形的變化，調(diào)整入端電壓、電流的相位，達(dá)到抑制電流諧波、提高電源變換器4-1由MC34261控制的AC/OC(開關(guān))電源變換器電路。

其基本工作過程是，工頻市電經(jīng)LC射頻驅(qū)動(dòng)Q再次導(dǎo)通，Q可等效為由Ic控制的開(RF)濾波和橋式整流后，得到正弦半波直流脈關(guān)K，由MC34261控制的APFC開關(guān)電源的沖電壓。通過的電流首先向cs充電，當(dāng)cs開關(guān)特性如圖4-2所示。上的電壓達(dá)到的約10V時(shí)，控制器Ic被啟動(dòng)并開始工作。正弦半波直流電壓經(jīng)R、R組成的分壓器分壓通過腳3輸入到Ic的一象限乘法器。在濾波大電容c上的直流輸出電壓V被電阻分壓器中R。取樣，經(jīng)腳l輸入到Ic中的誤差放大器的反相輸入端，與2.5V的基準(zhǔn)電壓比較并放大，輸出一個(gè)直流誤差電壓也送到乘法器，乘法器的主要作用就是保證AC輸入電流Im跟蹤輸入電壓v的變化。流經(jīng)開關(guān)功率管MOSFET(Q)的導(dǎo)通電流在R上轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，經(jīng)R，、C。組成的低通濾波器濾渡，通過腳4輸出到1c的PWM比較器，由升壓電感L的副繞組，將L中的電流信號(hào)取樣并經(jīng)腳5輸入到1c中的零電流檢測(cè)器，這樣1c中的邏輯電路的觸發(fā)，同時(shí)受到電流傳感比較器和零電流檢測(cè)器的輸出信號(hào)的控制，并保證Ic的腳7在同一時(shí)刻只有一個(gè)PWM脈沖輸上。當(dāng)L中電流由0增到最大值的過程中，Q導(dǎo)通，而二極管D中無電流通過；當(dāng)I從最大值下降直到變?yōu)?之前，Q則截止，而D中有電流通過；一旦降至零，Ic腳7就輸出PWM脈沖。

APFC型AC/DC電源變換器電路結(jié)構(gòu)和工作波形

由MC34261控制的APFC型(開關(guān))穩(wěn)壓電源電路結(jié)構(gòu)如圖4一1所示。驅(qū)動(dòng)Q再次導(dǎo)通，Q可等效為由Ic控制的開關(guān)K，由MC34261控制的APFC開關(guān)電源的當(dāng)cs開關(guān)特性如圖42所示由于Ic的控制作用，L中峰值電流的包絡(luò)曲線緊緊跟蹤AC輸入電壓的變化，在APFC電子電源變換器電路中，Ic腳7輸出驅(qū)動(dòng)電壓n電感電流“AC輸入電壓和輸入電流Ii，v等渡形如圖4-3所示。

由于AC輸入電壓V和DC輸出電壓vw都受到Ic的監(jiān)控，1c通過輸出PWM驅(qū)動(dòng)脈沖控制MOSFET的開關(guān)時(shí)間，故在APFC電路的輸出端可產(chǎn)生高度穩(wěn)定的直流電壓。當(dāng).一旦升高時(shí)，Ic腳7就輸出寬一些的驅(qū)動(dòng)脈沖，使MOSFET導(dǎo)通時(shí)間變長(zhǎng)，從而使降至設(shè)定的穩(wěn)壓值值得說明的是，這種開關(guān)穩(wěn)壓電源要求DC輸出電壓必須高于峰值A(chǔ)C輸=入電壓，因此對(duì)MOSFET的耐壓要求較高，在設(shè)計(jì)時(shí)，須引起注意。

采用升壓型APFC技術(shù)設(shè)計(jì)的AC/DC(開關(guān))電源變換器具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于我們?cè)O(shè)計(jì)高功率因數(shù)、低諧波含量的工業(yè)負(fù)載具有積極意義。本文的目的是使每一個(gè)電子系統(tǒng)工程師意識(shí)到對(duì)他們所設(shè)計(jì)的每一個(gè)工業(yè)負(fù)載或設(shè)備，應(yīng)把降低諧波、提高功率因數(shù)作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)之一。與其把電力系統(tǒng)污染后，再被動(dòng)地進(jìn)行治理和補(bǔ)償，不如我們主動(dòng)地把工業(yè)負(fù)載或設(shè)備的電子電源和電子裝置設(shè)計(jì)成低諧波、高功率因數(shù)的非污染源，自覺維護(hù)電力系統(tǒng)的電氣環(huán)境，提高我國(guó)工業(yè)設(shè)備的用電質(zhì)量。