基于boost型电路的apfc设计与实现

收稿日期: ２０１９ ０８ ２２ꎬ 修回日期: ２０１９ １１ ２５
作者简介: 刘磊(１９９３) ꎬ 男ꎬ 硕士研究生ꎬ 研究方向为电力电子与电力传动ꎮ
１期
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刘 磊等: 基于 ＢＯＯＳＴ 型电路的 ＡＰＦＣ 设计与实现
电流脉冲进行抑制ꎬ 从而提高功率因数ꎮ 但是这种
校正功率因数方法十分有限ꎬ 一般仅能达到 ０ ８６ 左
ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｗｉｔｈ Ｌ６５６２ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅ ｃａｎ ａｃｈｉｅｖｅ ａ ｓｔａｂｌｅ ＤＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｏｕｔｐｕｔ ｏｆ
４００Ｖ ｗｉｔｈｉｎ ａ ｗｉｄｅ ｉｎｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ８０ ~ ２７０Ｖꎬ ａｎｄ ｈａｓ ｔｈｅ ａｄｖａｎｔａｇｅｓ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ ｃｉｒｃｕｉｔꎬ ｈｉｇｈ ｅｆｆｉ￣
ｃｉｅｎｃｙꎬ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｏｎ ｔｈｅ ｎｅｔｗｏｒｋ ｓｉｄｅ ｕｐ ｔｏ ０ ９６ꎬ ｔｏｔａｌ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｓｔｏｒｔｉｏｎ ｒａｔｅ ａｎｄ ｌｏｗ ｃｏｓｔ.
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ: ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎꎻ Ｂｏｏｓｔ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒꎻ ａｖｅｒａｇｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｃｏｎｔｒｏｌ
电流环为内环?用于波形跟踪?外环为电压环?保证输出电压的稳定?该控制方法可扩大系统的稳定域增强系统的动态特性和稳定性?同时还可在很大程度消除输出电压波形中频率较低的纹波3?由于峰值电流模式控制电路中电感电流往往带有噪声?容易引起比较器误动作?造成工作不稳定?这对很多精确控制电感电流平均值的电源来说是不允许的?所以本课题选用了平均电流模式控制?该方法的优点是控制精度高?而且积分环节对电感电流具有滤波作用?其原理如图3所示?图3平均电流模式控制的原理3????2控制电路的设计该课题控制电路的主控芯片应用了st公司的l6562?芯片内部具有一特殊电路结构的高线性度的乘法器?在宽输入范围内均具有良好的thd?功耗极低?且门极驱动电流达到了700ma?经电气隔离后可直接驱动中小功率的mos和igbt?图4为设计的具体原理图?图4控制电路原理图采用电阻检测和电压传感器都可以使引脚3获半个正弦波电压波形?前者检测几乎无延时?辅助电路简单?但检测电路与主电路没有电气隔离?利用电压传感器需要配置电源?成本高?但是检测电路与主电路是隔离的?本设计基于整机功率较小?所以利用电阻网络分压来检测?c2c3是为让3引脚获得稳定的正弦波?r8和rp1实现输出分压采样的功能?为引脚1提供比较电平?r9r10c7c8与引脚12构成了pi调节器?其中c8为皮法量级?目的是为了防止自激振荡?属于密勒补偿?r10是为了限制比较器的开环增益?电阻r4是为了防止mos管发生寄生振荡?但此电阻会影响栅源驱动电压的建立?所以取数十欧姆为宜?mos管栅极绝缘二氧化硅层很薄?当栅源电压高于20v会将它击穿?所以二极管vd6和稳压管vs1是为了稳定栅极电压?r6并联在栅源之间是为了增强mos管的抗干扰能力?与mos源极相连的电阻r7是过电流保护的电阻?与芯片的引脚4相连?当其引脚4检测电压达到内部比较器阈值电压时?芯片内部通过触发器来封锁脉冲?从而保护开关管?zcd引脚为过零检测端?本设计中未用到此功能?所以直接接地禁止该功能?4实验测试为了验证课题设计的正确性和可行性?本文利用了multisim仿真软件对主电路进行建模并仿真?由于在仿真软件中仿真的模型是理想模型?有些未能在仿真软件中找到的器件应用了软件中相近的器件来代替?因此会导致仿真出来的结果与实际结果之间会有略微的差别?图5分别是交流输入电压为80v与270v在交流输入侧测到的电压与电流的波形图?从图中可以看
右ꎮ 但与之相对应的有９５ 甚至更高ꎬ 因此 ＡＰＦＣ
Ｄ ｍａｘ ＝
(４) 泵升电感值( ｍＨ) 为
Ｌ＝
技术才是工程实际中真正实用的功率因数校正方法ꎬ
其基本校正思想框图如图 １ 所示ꎮ
Ｕ０ － ２ Ｕ ｉｎ ｍｉｎ ４００ － ２ × ８０
( ＡＰＦＣ) ｗｉｔｈ ｗｉｄｅ ｖｏｌｔａｇｅ ｉｎｐｕｔ ｒａｎｇｅ ａｎｄ ｆｉｘｅｄ ｂｏｏｓｔ ｏｕｔｐｕｔ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ. Ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ｏｆ ａｃｔｉｖｅ
ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｂｏｏｓｔｅｒ ｉｎｄｕｃｔｏｒ ｄｅｓｉｇｎ ｉｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｗｅｒｅ ａｎａｌｙｚｅｄ ａｎｄ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ. Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ
等公司先后推出了多种用于有源功率因数校正技术
的 专 用 芯 片ꎬ 如 ＬＭ５１１７ꎬ ＭＳＣ６００２８ꎬ ＵＣＣ１８５７ꎬ
ＡＰＴ５０１２ＪＮ￣Ｕ２ꎬ ＭＬ４８３３ꎬ ＦＡ５３３２Ｐ ( Ｍ ) 等 [３] ꎬ 其
中由 ＳＴ 公 司 生 产 的 Ｌ６５６２ＰＦＣ 专 用 芯 片 内 部 有 低
失调、 高线性度的模拟乘法器ꎬ 需要配置的外围电
波形发生严重的畸变ꎬ 这是线路功率因数较低的主
要原因ꎬ 一般只有 ０ ６５ 左右ꎮ 这与我国相关谐波标
准有很大的差距
[１]
ꎮ 所以功率因数校正( ＰＦＣ) 技术
已引起国内外学者的广泛重视ꎮ
近些年ꎬ 功率因数校正技术在很多领域有了较
很大的创新空间ꎮ 目前ꎬ 美国德州仪器ꎬ 意法半导
体ꎬ 日本富 士 电 机 公 司ꎬ 美 国 ＡＰＴ 公 司 及 西 门 子
比较成熟ꎬ 并广泛应用于镇流器、 开关电源中的预
出端均含有 ＬＣ 滤波电路 [４] ꎬ 其实这类电路的本质就
变频器 和 直 流 变 换 器 等 各 个 方 面 [２] ꎮ 但 是ꎬ 从 电
力电子装置的轻、 小、 薄ꎬ 功率密度( 单位体积的
是非常典型的无源功率因数校正电路( ＰＰＦＣ) ꎬ 主要
思想是利用电路中电容与电感器件对输入的窄尖峰
ＬＩＵ Ｌｅｉꎬ Ｌｉ Ｈｏｎｇ
( Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｘｉ’ ａｎ Ｓｈｉｙｏｕ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬ Ｘｉ’ ａｎ ７１００６５ꎬ Ｃｈｉｎａ)
Ａｂｓｔｒａｃｔ: ｗｉｔｈ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｈｉｐ Ｌ６５６２ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｒｅꎬ ａ ５００ＷＢｏｏｓｔ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｏｒ
＝
＝ ０ ７１ (３)
Ｕ０
４００
２ Ｕ ｉｎ ｍｉｎ × Ｄ ｍａｘ
路极其 简 单 等 优 点ꎮ 本 文 利 用 意 法 半 导 体 公 司 的
Ｌ６５６２ 芯片ꎬ 研制了一种能宽电压范围输入、 稳定
输出直流电压、 输出功率为 ５００Ｗ 的 ＡＰＦＣ 系统ꎮ
１ 有源功率因数校正的工作原理
大的进步和突破ꎬ 其中单相功率因数校正技术现已
传统采用相控整流和不可控整流电路中ꎬ 其输
第 ５３ 卷 第 １ 期
２０２０ 年
１月
Ｖｏｌ ５３. Ｎｏ １
Ｊａｎ ２０２０
Ｍ ＩＣＲＯＭ ＯＴＯＲＳ
基于 ＢＯＯＳＴ 型电路的 ＡＰＦＣ 设计与实现
刘 磊ꎬ 李 宏
( 西安石油大学 电子工程学院ꎬ 西安 ７１００６５)
摘 要: 以功率因数控制芯片 Ｌ６５６２ 为核心ꎬ 设计了一种宽电压输入范围ꎬ 固定升压输出的 ５００ＷＢｏｏｓｔ 有源功率因
数校正器( ＡＰＦＣ) ꎮ 分析并讨论了有源功率因数校正技术、 电路中升压电感器设计等关键技术ꎮ 仿真结果表明ꎬ 设
计的以 Ｌ６５６２ 为核心的变换器ꎬ 能在 ８０ ~ ２７０Ｖ 宽输入电压范围内得到 ４００Ｖ 的稳定直流电压输出ꎬ 具有电路简单ꎬ
效率高ꎬ 网侧功率因数可以高达 ０ ９６ꎬ 总谐波畸变率及成本低等优点ꎮ
关键词: 有源功率因数校正ꎻ Ｂｏｏｓｔ 变换器ꎻ 平均电流控制
中图分类号: ＴＰ６２ ＋ ２ 文献标志码: Ａ 文章编号: １００１￣６８４８(２０２０)０１￣０１０８￣０４
Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ ｏｆ ＡＰＦＣ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＢＯＯＳＴ Ｃｉｒｃｕｉｔ
功率) 和整机效率等方面来衡量 ＰＦＣ 电路ꎬ 则还有
０ 引 言
一般情况下ꎬ 不间断电源( ＵＰＳ) 、 电子镇流器
及变频调速器等装置获得所需直流电压的方式通常
是输入级利用单相或者三相不可控桥式整流电路ꎬ
且在直流电压输出端并联容量较大的滤波电容ꎮ 这
种电路结构会使得二极管在一个周期内仅在电网电
压峰值处导通ꎬ 且导通角很小ꎬ 从而使得电网电流