PFC电源设计11

2020/1/101电流谐波交流电网电压经整流分压供给电子设备和家用电器，是一种基本的变换方式。开关电源主要经过低通滤波、全波整流、电容滤波后，输出直流。由于受负载的影响，输出电流将会发生畸变，呈现出一种脉冲波。这种波对电子设备极为不利，同时也给供电电网带来危害，是输出功率因数下降。脉冲电流中含有大量的谐波，这些不同频率的每一个正弦波成分都称为谐波含量。下图就是电流电压失真示意图。2020/1/102电网失真示意图2020/1/103功率因数线路上的功率因数为有功功率与视在功率之比，即：λ=P/S=cosφλ：功率因数；P：有功；S：无功。视在功率S等于有效电压Vrms和有效电流Irms的乘积：S=Vrms×Irms2020/1/104总谐波畸变（THD）用基波电流的百分比表示的电流总谐波含量称为总基波畸变率，也就是THD，定义为：THD=√（I2ms+I3ms+…+Inms）/I1ms×100%这里的，I1ms基波电流有效值；Inms为n次谐波含有电流有效值；根据上式，有关功率因数表达式为：λ=P/S=cosφ/√（1+THD2）从上式可知，提高功率因数即必须抑制输入电流的波形畸变，同时尽可能使电流基波与电压基波之间的相位差趋于零。2020/1/105功率因数校正的基本原理2020/1/106有源功率因数校正示意图2020/1/107功率因数校正的基本原理功率因数校正分为无源功率因数校正PPFC和有源功率因数校正APFC（AdvantagePowerFactorCorrection）主电路包括整流器（BR），开关管（S），输出二极管（D）以及滤波电容（C）等，主电路和控制电路组合成功率因数校正器。控制电路包括电压误差放大、基准电压、电流误差放大流乘法器和驱动器。2020/1/108有源功率因数校正工作原理主电路的桥式整流电路将输入的交流电整流为100Hz的脉冲直流电，再经升压电感L和升压二极管D整流输出电压V，电压V和基准电压Vr进行比较后，输入给电压误差放大器A1，放大后的误差电压与桥式整流的脉动电压一起加到乘法器M中相乘，乘法器M输出一电流信号并与开关电流一起加到电流误差放大器A2上，放大后的误差电流去驱动脉宽调制信号，以控制开关管VT的导通和截至，从而使输入电流的波形与整流输出的脉动电压的波形基本一致，使电流的谐波大大减少，提高了功率因数。2020/1/109有源功率因数校主要特点APFC电路置于桥式整流器与滤波电容之间，是一种DC/DC变换器，其输出形式多种多样（升压、降压及升降压等），由于升压型APFC电路在一定输出功率下可以较少输出电流，这样可以减小输出滤波电容的容量和体积，目前开关电源大都采用这种形式的APFC；APFC可以采用不同的方法进行控制，按电感扼流圈有无储存电流来分为：连续传导模式（CCM）和不连续传导模式（DCM），前者用于输出大功率场合，后者适合于200W以下的中功率APFC电源；2020/1/1010升压型2020/1/1011降压型2020/1/1012升降压型2020/1/1013升压预整流器型（APFC）优点能有效地抑制输入电源电流的谐波失真，能达到谐波电流畸变指标要求；能把系统功率因数提高到几乎等于1的水平，完全满足各国功率因数和总谐波含量的要求；输出直流电压纹波低；输入交流电压范围大（85~165V），输出稳定；消除了浪涌电压及尖峰电压对电路元件的冲击，提高了开关电源的可靠性和安全性，有力地延长了开关电源的使用寿命。APFC的开关电源适用于500W的负载，这种开关电源经常在电力电子设备的预调节器上使用。2020/1/1014有源功率因数校正控制方法峰值电流控制法滞环电流法平均电流控制法2020/1/1015峰值电流控制法APFC设计峰值电流控制法的开关频率是恒定的。如下图；APFC控制器现选有韩国三星公司生产的KA7524。APFC预调整电路适用于200W以下，尤其是150W的开关电源有源功率因数调整功能。2020/1/1016实际设计应用2020/1/1017升压变压器设计升压变压器TR的初级电感Lp是APFC调整器的升压电感，起着峰值电流传递和升压的作用；次级Ns的作用：1）作为零电流检测电感；2）与电阻R4、VD5和C3一起组成电源滤波整流电路，共给IC启动电压；变压器是APFC的关键元器件；电感峰值电流Ilp是平均输入电流Iin的两倍，所以可得：Iin=Ilp/2Iin：输入电流的平均值，Ilp：变压器初级电感的峰值电流。2020/1/1018升压变压器设计最大交流输入电流：Iin（max）=Pout/（η×Vin（min）））Pout：APFC调整器的输出功率（W）；η：变换器的效率；Vin（min）：最低交流输入电压（V）；Iin（max）：最大交流输入电流（A）2020/1/1019初级峰值电流初级电感峰值电流Ilp（max）=√2×Iin（max）初级电感Lp=2×（((Vout/√2)-Vin)×Vin2）/(Vout×Vin(min)×Ilp(max)×f)2020/1/1020变压器参数计算铜损因数为下式：Kg＝（Ω/Pcu）×（Lp×Ilp2/Bmax）2这里的Ilp=Ilp(max)，为最大峰值电感电流（A）；Bmax为最大磁通密度（T），取Bmax=0.15%T；Ω=1.724×10－8m；Pcu为铜的最大功率损耗（W），按照经验一般铜损是最大输出功率的1.5%，所以：Pcu=100×0.015=1.5(W)。所选用磁芯的铜损因数Kg必须高于用上式所计算出的因数。设所选用磁芯的因数为K`g，则：K`g＝K×Aw×Ae/Lw式中：K为铜的绕组系数，取0.36；Aw为线圈骨架窗口面积（mm）2，Ae为有效截面积（mm）2，Lw为每匝绕线平均长度（mm）22020/1/1021变压器参数计算初级匝数为Np为：Np=（Lp×Ilp（max））/（Bmax×Ae）线圈磁导线截面积Swire：Swire=K×Aw/Np（mm2）磁芯的气隙Lg为：Lg=4×3.14×10-7×Np2×Ae/Lp次级匝数Ns为：Ns=Np×Vs/Pout2020/1/1022举例计算计算一个变压器：Pout=100W，η=95%，f=50KHz，Vout=400V（DC）Vin（min）=120V（AC），Vin（max）=260V（AC），计算变压器上面所说的参数2020/1/1023实际计算最大交流输入电流：Iin（max）=Pout/（η×Vin（min）））=100/（0.95×120）=0.88A初级电感峰值电流：Ilp（max）=√2×Iin（max）=√2×0.88=1.24A初级电感量：Lp=2×（((Vout/√2)-Vin)×Vin2）/(Vout×Vin(min)×Ilp(max)×f)=2×（（400/√2）-260）×2602/（400×120×1.24×50×103）=1.04（mH）2020/1/1024变压器的铜损变压器铜损Kg＝（Ω/Pcu）×（Lp×Ilp2/Bmax）2=（1.724×10-8/1.5）×（1.04×10-3×1.242/0.15）2=1.3×10-12（m5）而K`g＝K×Aw×Ae/Lw=0.36×（60.4×1132/56.2×1015）=4.94×10-12（m5）选用PQ2620，Aw=60.4mm2，Ae=113mm2，Lw=56.2mm2020/1/1025变压器参数计算初级匝数为Np为：Np=（Lp×Ilp（max））/（Bmax×Ae）=（1.04×1.24×10-3）/（0.15×113×10-6）=76（匝）线圈磁导线截面积Swire：Swire=K×Aw/Np（mm2）=0.36×60.4/76=0.286（mm2）2020/1/1026变压器参数计算磁芯的气隙Lg为：Lg=4×3.14×10-7×Np2×Ae/Lp=4×3.14×10-7×762×113/1.04=0.78（mm）次级匝数Ns为（设Vs为15V）：Ns=Np×Vs/Pout=76×15/400=3（匝）2020/1/1027计算无源电感L≥0.03Vs×Ts/Is这里的Vs：输入交流电压（V）；Ts：电网周期，50Hz，Ts=0.02s=20×10-3；Is：输入电流（A）；2020/1/1028自主均流法——UC39022020/1/1029内部结构示意图2020/1/1030UC3902说明2020/1/1031UC3902内部框图2020/1/1032UC3902内部结构说明2020/1/1033UC3902外电路说明2020/1/1034UC3902外电路设计2020/1/1035UC3902外电路设计计算2020/1/1036UC3902外电路设计计算2020/1/1037UC3902外电路设计计算2020/1/1038计算参数的决定和分析2020/1/1039计算参数的决定和分析2020/1/1040计算参数的决定和分析2020/1/1041模块均流精度2020/1/1042结束语