基于Boost拓撲的雙重PFC系統的設計

徐 攀， 邱瑞昌， 柳宇航， 李智威

(北京交通大學電氣工程學院，北京100044)

基于Boost拓撲的雙重PFC系統的設計

徐 攀， 邱瑞昌， 柳宇航， 李智威

(北京交通大學電氣工程學院，北京100044)

介紹了基于Boost拓撲的功率因數校正技術原理、升壓電感的計算，給出了雙重Boost PFC的控制方案，設計了一種雙重Boost PFC系統。交錯式雙重PFC，可以大大減小因高頻開關引起的電壓、電流紋波的輸出，降低電感、功率管的電流應力以及濾波器的體積。

功率因數校正；雙重；電流應力；紋波

近年來，由于電路中大量電感、電容非線性負載的接入和國際對電能質量的規定，功率因數校正(PFC)技術越來越被廣泛應用。而傳統的Boost PFC已無法滿足大功率和低紋波的要求，所以為了解決這一問題，提出Boost PFC的雙重化系統。

交錯式雙重PFC，不但減小電感容量和開關管的平均電流應力，而且可以使每個開關管的開關頻率減半，這就減小了因高頻開關而引起的紋波含量，并且由于開關管開通時刻相差180°，即兩條Boost支路的紋波相位相差二分之一個開關周期，所以兩支路上電感的紋波也會相互抵消。

本設計可以滿足1 kW以上的系統，并且其紋波含量控制得很低，對電網的污染極小。這是一個高效、環保、實用的一種系統，其應用領域非常廣泛。

1 PFC工作原理

1.1 功率因數的概念

1.2 全橋整流電路產生基波因數原因

通常市電經過濾波和不控整流橋而轉變為直流電，如圖1 (a)所示。由于這種整流電路是二極管組成，對輸入電流不具有可控性，而且電容電壓不能躍變，從而當輸入電壓高于電容兩端電壓時，二極管才能導通，當前者低于后者時，則二極管不導通。這就形成了電流值電源電壓峰值附近才存在的情況，如圖1(b)所示。該電流含有大量紋波成分，電路功率因數很低(通常僅達到0.6左右)，紋波含量可達100%到150%，將對電網造成嚴重的污染。因此，需要對它進行功率因數校正。

圖1 全橋整流電路及電壓電流波形

1.3 升壓電感的計算

電路中電感直接決定著電路的性能、電路的體積以及干擾。為保證電感滿足電路要求，電感值計算應考慮最壞的情況：最低電壓輸入及對應的最大占空比時，能滿足設計要求；電感的設計要充分考慮其電路中的具體作用和磁飽和問題。其原理圖如圖2。

交互式PFC的優點之一是變換器的輸入和輸出處電感紋波電流的減小。占空比的函數可以用輸入紋波電流和獨立電感紋波電流來表示，即：。由于兩路電感的紋波可以相互抵消，所以每個電感紋波電流的設計可以比單相的高一些。升壓電感和選擇基于最大允許輸入紋波電流，在全電壓輸入應用時(220 V AC± 10%；198～242 V)，最大輸入紋波電流出現在低線電壓峰值處，。當允許電感電流有20%的波動時(即設定紋波電流為峰值電流的20%)，則(為開關頻率)。

圖2 基于Boost拓撲雙重PFC系統的原理圖

下面計算該拓撲中的電感量。

參數：輸入電壓220 VAC±10%(198～242 V)；輸出功率=1 400 W；輸出電壓=380 V；效率η≥95%；開關頻率=92 kHz。

輸入電流最大值的有效值：

選擇鐵粉芯磁芯：4P772，其電感系數為AL=34，則2.27× 10－8=34×，得出=45。截面積：

所以本文采用的截面積1.3 mm2銅線滿足指標要求。

2 工作過程和控制策略

2.1 工作過程

圖3 雙重交錯式Boost PFC的工作模式

圖4 雙重Boost PFC工作時電感電流和電感電壓波形

2.2 控制原理介紹

控制芯片用的TI公司的UCC28070，是一種先進的功率因數校正控制芯片，它集成了兩個相位差為180°的脈寬調制(PWM)。這種交錯式PWM驅動產生的輸入和輸出紋波電流大幅減少，傳到EMI濾波更容易，成本更低。其中倍頻設計是它的一個顯著優勢，兩路PWM中的獨立參考電流用的是同一個電流參考量，而且能保證一個穩定的、低失真的正弦輸入電流。UCC28070還含有過壓檢測、可編程峰值電流限制和欠壓鎖定等功能。另外其工作頻率和最大占空比是外圍電路設定的。由于兩個開關管的驅動脈沖占空比不能為1，否則就全開通，整個電路短路，易擊穿開關管。其功能如圖5所示。

圖5 PFC控制電路圖

3 實驗及測試結果

基于上述的設計與分析，在實驗室制作一個輸出功率為1 400 W的系統樣機，其主要參數：交流輸入電壓AC 220 V AC±10%(198～242 VAC)，頻率50 Hz；直流輸出電壓為380 VDC，電壓紋波＜100 mVp-p，功率因數＞99%，效率＞95%。

主要器件的選型：選用的功率開關管為MOS管47N60C3，最大允許電流為47 A，足可滿足電路所需；與升壓電感相連的二極管在電壓、電流定額滿足要求的同時,由于電路工作頻率很高，為避免關斷損耗，所以應選擇其反向恢復時間<1%的開關周期二極管，可選擇快恢復二極管15ETX06；整流橋是GSIB 2560，其中濾波電路的共模電感值為2.3 mH(取截止頻率為50 kHz)，升壓電感為227 μH(前面已計算)。

圖6是輸入電壓和輸入電流波形，可以看出輸入電流波形基本校正為標準的正弦波形，經計算功率因數為99.5%；圖7是驅動脈沖波形，其開關頻率設定為91.7 kHz(通過電阻R13計算得到)；圖8是輸出直流電壓，測得為377 VDC；圖9為輸出電壓紋波波形，其輸出電壓紋波為70 mVp-p，由于其紋波中絕大部分為二次諧波，因此這里只測試了二次諧波的含量。

圖6 輸入電壓和輸入電流實驗波形

圖7 開關管驅動脈沖波形

圖8 輸出直流電壓波形

圖9 輸出電壓紋波波形

4 結束語

本文提出的功率因數校正電路，其輸出紋波低，對電網污染小，功率等級大，并且升壓電感尺寸和電流應力小。整個系統的尺寸小，使用壽命長，具有環保、實用、紋波含量小等優點，有廣泛的應用。尤其用在開關電源方面，可以克服開關電源輸出紋波大的缺陷。因此性能要求高的開關電源，加上該環節后，其性能必然大大改善[1-5]。

[1]浦錫鋒，王宏華.基于MATLAB的單周期控制PFC BOOST變換電路建模與仿真[J].電氣技術與自動化，2007，36(6):145-147.

[2]東華，馬運東.單周期控制BOOST-PFC變換器[J].電源技術應用，2007，10(4):40-43.

[3]楊旭，裴云慶，王兆安.開關電源技術[M].北京：機械工業出社，2005.

[4]林飛，杜欣.電力電子技術應用技術的MATLAB仿真[M].北京：中國電力出版社，2009.

[5]路秋生.功率因數校正技術與應用[M].北京：機械工業出版社，2006.

Design of double PFC System Based on Boost Topology

A double power factor correction system based on Boost topology was introduced.The principle of power factor correction technology,the capactitance calculation of the Boost inductor,correction control method were given.For the interleaved double PFC,the output of the voltage and current ripple,the current stress of the inductor,the power switch and the size of filter could be greatly reduced.

power factor correction;double;current stress;ripple

TM 131.1

A

1002-087 X(2016)03-0652-03

2015-08-25

徐攀(1987—)，男，河南省人，碩士生，主要研究方向為電力電子和電氣傳動。