單級功率因數(shù)校正PFC變換器的設(shè)計(jì)

1、單級功率因數(shù)校正（PFC）變換器的設(shè)計(jì)李廣全，王志強(qiáng)，張梅510640 )（ 華南理工大學(xué)電力學(xué)院，廣東廣州1 引言為了減少對交流電網(wǎng)的諧波污染，國際上推出了一些限制電流諧波的標(biāo)準(zhǔn)，如 IEC1000-3-2 標(biāo)準(zhǔn)， 它要求開關(guān)電源必須采取措施降低電流諧波含量。為了使輸入電流諧波滿足要求，必須加入功率因數(shù)校正（PFC）。目前應(yīng)用得最廣泛的是 PFC級+DC/DC級的兩級方案，它們有各自的開關(guān)器件和控制電路。這種方案能夠獲得很好的性能，但其缺點(diǎn)是電 路復(fù)雜，成本高。在單級功率因數(shù)校正變換器1中，PFC級和DC/DC級共用一個開關(guān)管和一套控制電路，在獲得穩(wěn)定 輸出的同時實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。這種方案具

2、有電路簡單，成本低的優(yōu)點(diǎn)，適用于小功率場合。本文介紹一 種單級PFC變換器的基本原理及其設(shè)計(jì)過程。2 單級PFC變換器單級PFC變換器的原理圖如圖1所示，是一種基于脈寬調(diào)制（PWM的變換器。變換器的 PFC級采 用Boost電感電路，而DC/DC級采用雙管單端正激電路結(jié)構(gòu)。圖1單級功率因數(shù)校正變換器的原理圖PWM集成芯片采用了 UC3842是一種電流型控制的專用芯片，具有電壓調(diào)整率高，外圍元器件少, 工作頻率高，啟動電流小的特點(diǎn)。其輸岀驅(qū)動信號通過隔直電容，連接在驅(qū)動變壓器原邊。驅(qū)動變壓器副 邊采用雙繞組結(jié)構(gòu)，得到兩路同相隔離的驅(qū)動信號，從而實(shí)現(xiàn)了DC/DC級的雙管驅(qū)動。變換器發(fā)生過流時，由電

3、阻R9檢測到開關(guān)管的過流信號，封鎖UC3842的輸出信號，實(shí)現(xiàn)過流保護(hù) 電壓負(fù)反饋控制由電阻 甩和R3獲得輸出電壓信號。變換器的工作原理簡述如下：當(dāng)變換器接通電源時， 交流輸入電壓經(jīng)過整流橋后的直流電壓經(jīng)電阻R7降壓后，給UC3842提供啟動電壓；進(jìn)入正常工作后，二次繞組 N3提供UC3842的工作電壓（12V）; 二 次繞組2的高頻電壓經(jīng)整流濾波，由 TL431獲得偏差信號，經(jīng)光耦隔離后反饋到 UC3842去控制開關(guān)管的 開通與截止，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的；在一個開關(guān)周期Ts內(nèi)，控制Boost電感工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM下,使得輸入電流波形自然跟隨輸入電壓波形，從而實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。3 變換器

4、的設(shè)計(jì)3.1EMI濾波器的設(shè)計(jì)EMI濾波器能有效抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子儀器，計(jì)算機(jī)和測控系統(tǒng)的抗干擾能力及可靠性2。單級PFC變換器的PFC級工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式下， 其輸入電流波形為脈動三角波， 因此，其前端需添加EMI 濾波器以濾除高頻紋波。EMI濾波器電路如圖1所示，包括共模扼流圈（亦稱共模電感）和濾波電容。共模電感主要用來濾除共模干擾，其電感量與 EMI濾波器的額定電流有關(guān)。本文中的單級PFC變換器的額定電流為1A，取共模電感值為15mH濾波電容Ci和C3主要濾除串模干擾，容量大致為0.010.47卩F。G。和C15跨接在輸入端， 并將電容器的中點(diǎn)接地，能有效抑制共模干擾，容量范圍是2

5、200pF0.1卩Fo3.2 功率器件的選取變換器的開關(guān)器件一般均選用功率場效應(yīng)管 （MOSFEJ，依據(jù)輸入最高電壓時輸出最大電流的要求 來確定其電壓與電流等級，并預(yù)留有 1.52倍的電壓和23倍的電流裕量。在單管變換器中，開關(guān)器件 的電壓UCeo通?？砂唇?jīng)驗(yàn)公式（1）選取UcecF I - （ 1 ）式中：Udmax為漏源極的最大電壓；D為占空比。開關(guān)器件的電流按高頻變壓器一次繞組的最大電流來確定。本文中，由于采用雙管電路結(jié)構(gòu)，每個開關(guān)管所承受的電壓為 UCeo的一半，故選用耐壓 500V，電流8A的IRF840。變換器中PFC級的二極管選用了超快速恢復(fù)二極管，而DC/DC級整流輸岀端選用肖

6、特基整流二極管，以減小二極管的壓降。3.3 變換器電感的設(shè)計(jì)在單級PFC變換器中，為了實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正， 通?？刂芇FC級的Boost電感工作在不連續(xù)導(dǎo)電模 式；而為了提高變換器的效率， DC/DC級一般采用連續(xù)導(dǎo)電模式，在一個開關(guān)周期內(nèi)，通過L1和L2的電流如圖2所示。冋開關(guān)周期內(nèi)通過L1和L2的電流為了使得Boost電感工作于不連續(xù)導(dǎo)電模式下，有% jfu MA(1 - D(4)式中：L2為DC/DC級的儲能電感值在本文中，要求 工=8.33 卩 s, D=0.2 , U=16V, R=2.133 Q , UCi=380V。故選取 Li=100 卩 H, L2=20 卩 H。功率因數(shù)校正的

7、實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，圖3中，Un是交流輸入電壓經(jīng)整流橋后的電壓波形，iL1是流經(jīng)Boost電感Li的電流波形，近似于正弦波。實(shí)驗(yàn)得到的功率因數(shù)為0.97。Trk Rliu 25 OkS r SmiiijleITI輸入電壓Uin與電流i L13.4高頻變壓器的設(shè)計(jì)高頻變壓器是變換器的核心部件，它的性能好壞不僅影響變壓器本身的發(fā)熱和效率，而且還會影響到變換器的技術(shù)性能和可靠性。3.4.1磁芯的選用本文的負(fù)載設(shè)計(jì)為 U=16V, I =7.5A，由高頻變壓器的二次繞組 N2繞組提供。而繞組N提供UC3842 的工作電源，其輸岀功率很小，可忽略。由設(shè)定條件可知，高頻變壓器的輸岀功率為P=16X7.5=

8、120W根據(jù)文獻(xiàn)3給出的輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系，選用了PQ32-30磁芯，其有效截面積為 167mrf。3.4.2繞組匝數(shù)的確定變壓器初級繞組電壓幅值UPi為UPi=LC U S =380V式中：UC是變壓器輸入直流電壓（等于中間儲能電容上的電壓）； L1是變壓器初級繞組的電阻壓降與開關(guān)管的導(dǎo)通壓降之和，在實(shí)際計(jì)算中可以忽略。變壓器二次繞組 N的電壓幅值UP2為Lh= |；, U =83.5V式中： L2是變壓器二次繞組的電阻壓降與整流管的壓降之和。初級繞組匝數(shù)N為N=A（5）式中：f是開關(guān)頻率（120kHz）; b是磁通增量，此處取 B=0.15T。由式（5）得330 0. 2N=田0耳1。心蟲、軒 X104=25.3 匝實(shí)際取N為26匝 二次繞組匝數(shù)N為如 3.52=萬3=麗X 26=5.7 6 匝 二次繞組N提供UC3842的12V工作電壓，故13藝U二山&N