• 回复
  • 收藏
  • 点赞
  • 分享
  • 发新帖

转贴:大家讨论一下用3842做的单级PFC电源的优缺点

单级功率因数校正(PFC)变换器的设计
发布时间:2006年7月10日
点击次数:11

详细内容:单级功率因数校正(PFC)变换器的设计


单级功率因数校正(PFC)变换器的设计

李广全,王志强,张梅

(华南理工大学电力学院,广东广州510640)


摘要:介绍了一种单级功率因数校正(PFC)变换器,重点讨论了变换器的主要设计.
关键词:变换器;单级功率因数校正;设计

  

1引言
为了减少对交流电网的谐波污染,国际上推出了一些限制电流谐波的标准,如IEC1000-3-2,它要求开关电源必须采取措施降低电流谐波含量.
为了使输入电流谐波满足要求,必须加入功率因数校正(PFC).目前应用得最广泛的是PFC级+DC/DC级的两级方案,它们有各自的开关器件和控制电路.这种方案能够获得很好的性能,但它的缺点是电路复杂,成本高.
在单级功率因数校正变换器[1]中,PFC级和DC/DC级共用一个开关管和一套控制电路,在获得稳定输出的同时实现功率因数校正.这种方案具有电路简单、成本低的优点,适用于小功率场合.本文介绍了一种单级PFC变换器的基本原理及其设计过程.
2单级PFC变换器
单级PFC变换器的原理图如图1所示,是一种基于脉宽调制(PWM)的变换器.变换器的PFC级采用Boost电感电路,而DC/DC级采用双管单端正激电路结构.
PWM集成芯片采用了UC3842,是一种电流型控制的专用芯片,具有电压调整率高、外围元器件少、工作频率高、启动电流小的特点.其输出驱动信号通过隔直电容,连接在驱动变压器原边.驱动变压器采用副边双绕组结构,得到两路同相隔离的驱动信号,从而实现了DC/DC级的双管驱动.
变换器的过流保护由电阻R9检测到开关管的过流信号,封锁UC3842的输出信号,实现过流保护.电压负反馈控制由电阻R12和R13获得输出电压信号.
变换器的工作原理简述如下:当变换器接通电源时,输入交流电压整流后的直流电压经电阻R17降压后,给UC3842提供启动电压.进入正常工作后,二次绕组N3提供UC3842的工作电压(12V);绕组N2的高频电压经整流滤波,由TL431获得偏差信号,经光耦隔离后反馈到UC3842,去控制开关管的导通与截止,实现稳压的目的.在一个开关周期Ts内,控制Boost电感工作在不连续导电模式(DCM)下,使得输入电流波形自然跟随输入电压波形,从而实现了功率因数校正.
3变换器的设计
3.1EMI滤波器的设计
EMI滤波器能有效地抑制电网噪声,提高电子仪器、计算机和测控系统的抗干扰能力及可靠性[2].单级PFC变换器的PFC级工作在不连续导电模式下,其输入电流波形为脉动三角波,因此其前端需添加EMI滤波器以滤除高频纹波.


  

EMI滤波器电路如图1所示,包括共模扼流圈(亦称共模电感)和滤波电容.共模电感主要用来滤除共模干扰,其电感量与EMI滤波器的额定电流有关.本文中的单级PFC变换器的额定电流为1A,取共模电感值为15mH.滤波电容C11和C13主要滤除串模干扰,容量大致为0.01μF~0.47μF.C14和C15跨接在输入端,并将电容器的中点接地,能有效抑制共模干扰,容量范围是2200pF~0.1μF.
3.2功率器件的选取
变换器的开关器件一般均选用功率场效应管(MOSFET),依据输入最高电压时输出最大电流的要求来确定其电压与电流等级,并预留有1.5~2倍的电压和2~3倍的电流裕量.在单管变换器中,开关器件的电压UCEO通常可按经验公式选取

式中:Udmax为漏源极的最大电压;
D为占空比.
开关器件的电流按高频变压器一次绕组的最大电流来确定.本文中,由于采用双管电路结构,每个开关管所承受的电压为UCEO的一半,故选用耐压500V、电流8A的IRF840.
变换器中PFC级的二极管选用了超快速恢复二极管,而DC/DC级整流输出端选用肖特基整流二极管,以减小二极管的压降.
3.3变换器电感的设计
在单级PFC变换器中,为了实现功率因数校正,通常控制PFC级的Boost电感工作在不连续导电模式;而为了提高变换器的效率,DC/DC级一般采用连续导电模式,在一个开关周期内,通过L1和L2的电流如图2所示.
为了使Boost电感工作于DCM,则有

式中:RL为变换器的负载电阻;
L1为Boost电感值;
Ts为变换器的开关周期;
D为占空比;
η为变换器的效率;
UC1为中间储能电容上的电压;
Uo为输出电压.

  

为了使得DC/DC级工作在连续导电模式下,则有

式中:L2为DC/DC级的储能电感值.
在本文中,要求Ts=8.33μs,D=0.2,Uo=16V,RL=2.133Ω,UC1=380V.故选取L1=100μH,L2=20μH.
功率因数校正的实验结果如图3所示.图中,第一条波形是交流输入电压经整流桥后的电压波形,第二条波形是流经Boost电感L1的电流波形,近似于正弦波.实验得到的功率因数为0.97.

  

3.4高频变压器的设计
高频变压器是变换器的核心元件,它的性能好坏不仅影响其本身的发热和效率,而且还会影响到变换器的技术性能和可靠性.
1)磁芯的选用
本文的负载设计为Uo=16V,Io=7.5A,由高频变压器的二次绕组N2绕组提供.而绕组N3提供UC3842的工作电源,其输出功率很小,可忽略.由设定条件可知,高频变压器的输出功率为

根据文献[3]给出的输出功率与磁芯尺寸的关系,选用了PQ32-30磁芯,其有效截面积为167mm2.
2)绕组匝数的确定
变压器初级绕组电压幅值UP1为

式中:UC1是变压器输入直流电压(等于中间储能电容上的电压);
ΔU1是变压器初级绕组的电阻压降与开关管的导通压降之和,在实际计算中可以忽略.
变压器二次绕组N2的电压幅值UP2

式中:ΔU2是变压器二次绕组的电阻压降与整流管的压降之和.
初级绕组匝数N1为

式中:f是开关频率(120kHz);
ΔBm是磁通增量,此处取ΔBm=0.15T.

二次绕组N3提供UC3842的12V工作电压,其匝数由下式得到

式中:UP3为二次绕组N3的电压幅值.
4结语
应用脉宽调制集成控制芯片UC3842构成的单级PFC变换器,具有电路结构简单、成本低等优点.不仅获得稳定的输出,而且实现了功率因数校正.
全部回复(7)
正序查看
倒序查看
miky1188
LV.6
2
2006-07-11 19:32
500) {this.resized=true; this.width=500; this.alt='这是一张缩略图,点击可放大。\n按住CTRL,滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}" onclick="if(!this.resized) {return true;} else {window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/43/1152617569.jpg');}" onmousewheel="return imgzoom(this);">
0
回复
miky1188
LV.6
3
2006-07-11 19:56
@miky1188
图[图片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='这是一张缩略图,点击可放大。\n按住CTRL,滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/43/1152617569.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">
0
回复
philips
LV.8
4
2006-07-11 19:56
@miky1188
图[图片]500){this.resized=true;this.width=500;this.alt='这是一张缩略图,点击可放大。\n按住CTRL,滚动鼠标滚轮可自由缩放';this.style.cursor='hand'}"onclick="if(!this.resized){returntrue;}else{window.open('http://u.dianyuan.com/bbs/u/43/1152617569.jpg');}"onmousewheel="returnimgzoom(this);">
原理圖怎么只有一半??
0
回复
philips
LV.8
5
2006-07-11 19:57
@miky1188
pdffile1152618949.pdf
真及時:)
0
回复
miky1188
LV.6
6
2006-07-11 20:06
@philips
原理圖怎么只有一半??
知错就改.还请发表高论.
0
回复
剑心
LV.8
7
2006-07-11 23:11
为什么一般的开关电源要做APFC而不用2C+3D PPFC?,消除谐波效果不好?可有些大功率的变频器上还用2C+3D.
0
回复
frank
LV.8
8
2006-10-30 18:02
@剑心
为什么一般的开关电源要做APFC而不用2C+3DPPFC?,消除谐波效果不好?可有些大功率的变频器上还用2C+3D.
在中功率ADAPTER上都用了N年了,性价比确实高
0
回复