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工程師推薦:低諧波、高功率因數(shù)AC/DC開關(guān)電源變換器設(shè)計(jì)

發(fā)布時間:2013-10-10 責(zé)任編輯:eliane

【導(dǎo)讀】對于電子系統(tǒng)工程師而言,降低諧波、提高功率因數(shù)是工程師們設(shè)計(jì)時候的重要指標(biāo)之一。本文所設(shè)計(jì)的AC/DC(開關(guān))電源變換器,采用升壓型APFC技術(shù),對于工程師們設(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。

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。

工程師推薦:低諧波、高功率因數(shù)AC/DC開關(guān)電源變換器設(shè)計(jì)
圖1
 

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。因此對中小功率應(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。
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圖2-1
 
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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。
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圖3-1
 

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)為零電流檢測輸入;腳6(GND)為接地腳;腳7(V。)為PWM驅(qū)動輸出端,直接驅(qū)動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、零電流檢測器、電流檢測邏輯及驅(qū)動輸出等單元電路組成。內(nèi)部功能框圖如圖3-2所示。

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圖3-2
 

MC34261的啟動閥值電壓為10土0+8V,啟動電流是0.3mA,工作電流典型值是7.1mA,峰值驅(qū)動輸出電流為0.5A,動耗不大于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。
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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。
 
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圖4-1
 

其基本工作過程是,工頻市電經(jīng)LC射頻驅(qū)動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,控制器Ic被啟動并開始工作。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,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中的電流信號取樣并經(jīng)腳5輸入到1c中的零電流檢測器,這樣1c中的邏輯電路的觸發(fā),同時受到電流傳感比較器和零電流檢測器的輸出信號的控制,并保證Ic的腳7在同一時刻只有一個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。

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圖4-2
 

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。

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圖4-3
 

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)動脈沖控制MOSFET的開關(guān)時間,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,Ic腳7就輸出寬一些的驅(qū)動脈沖,使MOSFET導(dǎo)通時間變長,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MOSFET的耐壓要求較高,在設(shè)計(jì)時,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),對于我們設(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電子系統(tǒng)工程師意識到對他們所設(shè)計(jì)的每一個工業(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)的一個重要指標(biāo)之一。與其把電力系統(tǒng)污染后,再被動地進(jìn)行治理和補(bǔ)償,不如我們主動地把工業(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,提高我國工業(yè)設(shè)備的用電質(zhì)量。

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