硬開關(guān)與軟開關(guān)功率因數(shù)校正電路的研究
摘要:介紹兩種常用的APFC芯片UC3854和UC3855的工作原理、功能特點(diǎn),做了實(shí)驗(yàn)波形分析及對(duì)比性研究。
關(guān)鍵詞:畸變因數(shù)有源功率因數(shù)校正零電壓轉(zhuǎn)換
Keywords:THDAPFCZVT
The Research of Soft Hard Switch Power Factor Correction Circuit
Abstract: The article mainly introduces the working principle, function characteristics of the two kinds of APFC chip: UC3854 and UC3855. The article presents the experiment waveform of the two kinds of chips. At last the article has made the contrast analysis.
1引言
前級(jí)從220V交流電網(wǎng)整流提供直流是在電力電子技術(shù)及電子儀表中應(yīng)用極為廣泛的一種基本變流方案。但整流器-電容濾波電路是一種非線性器件和儲(chǔ)能元件的組合,因此雖然輸入交流電壓是正弦波,但輸入電流波形卻嚴(yán)重畸變,呈脈沖狀,含有大量的諧波,使輸入電路的功率因數(shù)不到0.7。
用電設(shè)備的輸入功率因數(shù)低主要會(huì)造成以下危害:諧波電流嚴(yán)重污染電網(wǎng),干擾其他用電設(shè)備;容易造成線路故障如線路、配電器件過熱,電網(wǎng)諧振;增加線路、變壓器和保護(hù)器件的容量;中線流過疊加的三相三次諧波電流,使中線過流而易損壞。
因此,我們必須采取適當(dāng)?shù)拇胧﹣頊p小輸入電流波形的畸變,提高輸入功率因數(shù),以減小電網(wǎng)污染。如信息產(chǎn)業(yè)部在通信電源的入網(wǎng)檢測(cè)中就要求1500W以上的電源設(shè)備,其功率因數(shù)必須高于0.92;1500W以下的電源設(shè)備,其功率因數(shù)必須高于0.85。
目前,主要用來提高功率因數(shù)的方法有:電感無源濾波,這種方法對(duì)抑制高次諧波有效,但體積大,重量大,在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中其應(yīng)用將越來越少;逆變器有源濾波,對(duì)各次諧波響應(yīng)快,但設(shè)備造價(jià)昂貴;三相高功率因數(shù)整流器,效率高、性能好,近年來其控制策略和拓樸結(jié)構(gòu)處于不斷發(fā)展中。單相有源功率因數(shù)校正(APFC),通常采用Boost電路,CCM工作模式,因其良好的校正效果,目前在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中得到越來越廣泛的應(yīng)用。
本文主要介紹了兩種常用的APFC芯片UC3854和UC3855的工作原理、功能特點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)波形分析,并作了對(duì)比性研究。
2UC3854構(gòu)成的硬開關(guān)有源功率因數(shù)校正
電路
2.1工作原理
UC3854是一種高功率因數(shù)校正集成控制電路芯片,其主要特點(diǎn)是:PWM升壓電路,功率因數(shù)達(dá)到0.99,THD<5% , 適 用 于 任 何 的 開 關(guān) 器 件 , 平 均 電 流 控 制 模 式 , 恒 頻 控 制 , 精 確 的 參 考 電 壓 。 其 結(jié) 構(gòu) 如 圖 1所 示 :
UC3854包括:電壓誤差放大器,模擬乘法/除法器,電流放大器,固定頻率脈寬調(diào)制器,功率MOS管的門級(jí)驅(qū)動(dòng)器,過流保護(hù)的比較器,7.5V基準(zhǔn)電壓,以及軟起動(dòng),輸入電壓前饋,輸入電壓箝位等。
模擬乘法/除法器是功率因數(shù)校正芯片的核心,它的輸出IMO反映了線電流,因此被作為基準(zhǔn)電流,IMO與乘法器的輸入電流IAC(IAC與輸入電壓瞬時(shí)值成比例)的關(guān)系為:
IMO=IAC(UAO-1.5)/KU2ms
(對(duì)應(yīng)圖1中IM=AB/C)
式中IMO、UAO為電壓誤差放大器的輸出信號(hào),從芯片
圖1UC3854的電路結(jié)構(gòu)圖
中減去1.5V是芯片設(shè)計(jì)的需要;K在乘法器中是個(gè)常數(shù),等于1;Ums是前饋電壓,約為1.5~4.77V,由APFC的輸入電壓經(jīng)分壓后提供。
模擬乘法/除法器除以U2ms起了前饋?zhàn)饔?,一方面芯片?nèi)部箝位Ums,消除了輸入電壓對(duì)電壓環(huán)放大倍數(shù)的影響,使電壓環(huán)放大倍數(shù)和輸入電壓無關(guān);另一方面電壓誤差放大器的輸出還可使輸入功率穩(wěn)定,不隨線電壓的變化而變化。如當(dāng)輸入電壓變?yōu)閮杀?,則反映輸入電壓變化的IAC、Ums均變?yōu)樵瓉淼膬杀?。由上式可知IMO將減半,通過調(diào)制使輸入電流減半,從而保持輸入功率不變。另外電壓誤差放大器具有輸出箝位,可限制電路的最大功率。前饋電壓的輸入采用了二階低通濾波,這樣既可提高抗干擾能力,又不影響前饋電壓輸入端對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)的快速響應(yīng)。
電壓誤差放大器的輸出電壓范圍為1~5.8V,當(dāng)輸出電壓低于1V時(shí),將會(huì)抑制乘法器的輸出。電壓誤差放大器最大輸出內(nèi)部限定為5.8V是為了防止輸出過沖;為了減小輸入電壓過低時(shí)產(chǎn)生的交越死區(qū),交流輸入端的標(biāo)稱電壓是6V,同時(shí)還應(yīng)用電阻將該端口與內(nèi)基準(zhǔn)連起來,這樣線電流的交越失真將最小。
UC3854的開關(guān)管和二極管都工作在硬開關(guān)的狀態(tài),主要帶來以下問題:
?。?)開通時(shí)開關(guān)管的電流上升和電壓下降同時(shí)進(jìn)行,關(guān)斷時(shí)開關(guān)管的電流下降和電壓上升同時(shí)進(jìn)行,使開關(guān)管的開通和關(guān)斷損耗大;
?。?)當(dāng)開關(guān)器件關(guān)斷時(shí),感性元件感應(yīng)出較大的尖峰電壓,有可能造成開關(guān)管電壓擊穿;
(3)當(dāng)開關(guān)器件開通時(shí),開關(guān)器件結(jié)電容中儲(chǔ)存的能量有可能引起開關(guān)器件過熱損壞;
?。?)二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r(shí)存在反向恢復(fù)問題,容易造成直流電源瞬間短路。
2.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果
用UC3854制造的APFC裝置,其參數(shù)如下:
輸入電壓范圍:AC80~270V;
輸出電壓:410V
開關(guān)工作頻率:72kHz;
輸入電感:1.6mH;
輸出電容:2160μF
功率:1200W
用數(shù)字示波器測(cè)試并打印出開關(guān)管兩端電壓波形和輸入電感兩端電壓波形如圖2、圖3所示。
從以上波形可以看出,開關(guān)管上有電壓尖峰;并且當(dāng)開關(guān)管關(guān)、二極管開及開關(guān)管開、二極管關(guān)時(shí)在輸入電感上感應(yīng)出較大的電壓尖峰。為了克服硬開關(guān)APFC的缺點(diǎn),并進(jìn)一步改善性能,UC公司推出了UC3855。
3UC3855構(gòu)成的軟開關(guān)有源功率因數(shù)校正
電路
圖2開關(guān)管兩端波形? 圖3輸入電感兩端波形
3.1UC3855工作原理
UC3855是一種能實(shí)現(xiàn)零電壓轉(zhuǎn)換的高功率因數(shù)校正器集成控制芯片,采用零電壓轉(zhuǎn)換電路、平均電流模式產(chǎn)生穩(wěn)定的、低畸變的交流輸入電流,無需斜坡補(bǔ)償,最高工作頻率可達(dá)500kHz,其內(nèi)部有ZVS檢測(cè)、一個(gè)主輸出驅(qū)動(dòng)和一個(gè)ZVT輸出驅(qū)動(dòng)。由于采用軟開關(guān)技術(shù),可以極大地減小二極管反向恢復(fù)時(shí)和MOSFET開通時(shí)的損耗,從而具有低電磁輻射和高效率的特點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)如圖4所示。
UC3855也主要由乘法、除法、平方電路構(gòu)成,為電流環(huán)提供編程的電流信號(hào)(IMO=IAC(UAO-1.5)/KU2ms)。芯片內(nèi)部有一個(gè)高性能、帶寬為5MHz的電流放大器,并具有過壓、過流和回差式欠壓保護(hù)功能,輸入線電壓箝位功能,低電流起動(dòng)功能。內(nèi)部乘法器電流限制功能在低線電壓時(shí)能抑制功率輸出。和UC3854相比,UC3855增加的電路功能主要有:過電壓保護(hù);工作達(dá)500kHz的零電壓轉(zhuǎn)換(ZVT)控制電路;具有電流合成器,只需檢測(cè)主開關(guān)管開通時(shí)的電感電流,而主開關(guān)管關(guān)斷時(shí)流經(jīng)電感和二極管的電流可通過芯片內(nèi)的電流合成器構(gòu)造出來,因此可比UC3854少用一個(gè)電流互感器。這樣既提高了信噪比,又減小了電流檢測(cè)的損耗。
總體而言UC3855具有更高的的功率因數(shù)(接近1),更高的效率,和更低的電磁干擾(EMI)。
3.2ZVT-PFC電路原理
圖5為ZVT-PFC電路原理圖,S為主開關(guān)管,S1、Lr、Cr、VD1構(gòu)成的諧振支路和主開關(guān)管并聯(lián)。輔助開關(guān)S1先于主開關(guān)S導(dǎo)通,使諧振網(wǎng)絡(luò)工作,電容電壓(即主開關(guān)電壓)諧振下降到零,創(chuàng)造了主開關(guān)零電壓導(dǎo)通的條件。在輔助開關(guān)管導(dǎo)通時(shí),二極管電流線
圖4UC3855的電路結(jié)構(gòu)圖
圖5ZVT-PFC電路原理圖
圖6電流合成器的波形
性下降到零,二極管VD實(shí)現(xiàn)零電流截止(軟關(guān)斷)。ZVT-PFC的主要優(yōu)點(diǎn)是:主開關(guān)管零電壓導(dǎo)通并且保持恒頻運(yùn)行;二極管VD零電流截止;電流、電壓應(yīng)力??;工作范圍寬;ZVT-PFC的不足之處是:輔助開關(guān)S1在硬開關(guān)條件下工作,但和主開關(guān)相比流經(jīng)的電流很小,所以其損耗可忽略不計(jì)。
圖6是電流合成器的波形,上部的波形是電流合成器合成的電感電流的波形,下部的波形是電感電流的實(shí)際波形。從圖6我們可以看出這兩種波形吻合得很好。測(cè)量結(jié)果還得出重構(gòu)波形和實(shí)際波形在線電壓較高時(shí)誤差較大,并且在電流合成電路中微小的偏差就可導(dǎo)致誤差。
表1、表2所示為UC3855的畸變因數(shù)、功率因數(shù)和交流線電壓的關(guān)系
表1畸變因數(shù)、功率因數(shù)和交流線電壓的關(guān)系表(一階誤差放大箝位電路)
交流線電壓(V) | 畸變因數(shù)(%) | 功率因數(shù) |
---|---|---|
100 | 6.3 | 0.998 |
120 | 4.5 | 0.999 |
200 | 8.9 | 0.996 |
230 | 10 | 0.995 |
表2畸變因數(shù)、功率因數(shù)和交流線電壓的關(guān)系表(二階誤差放大箝位電路)
交流線電壓(V) | 畸變因數(shù)(%) | 功率因數(shù) |
---|---|---|
100 | 4.95 | 0.999 |
120 | 5.30 | 0.999 |
200 | 5.45 | 0.998 |
230 | 5.83 | 0.998 |
4對(duì)比結(jié)論
圖7是通過測(cè)量ZVT-PFC電路和硬開關(guān)的PFC電路(取消零轉(zhuǎn)換部分)所得效率數(shù)據(jù)圖。硬開關(guān)的PFC電路還需要一個(gè)風(fēng)扇來保持功率器件的正常
圖7效率數(shù)據(jù)圖
工作溫度。從以上數(shù)據(jù)圖可以看出具有ZVT的PFC電路(對(duì)應(yīng)芯片UC3855)效率明顯優(yōu)于硬開關(guān)的PFC電路(對(duì)應(yīng)芯片UC3854)。從圖上還可看出特別在低輸入電壓時(shí)具有ZVT的PFC電路明顯優(yōu)于硬開關(guān)的PFC電路,因?yàn)榈洼斎腚妷簳r(shí)具有高輸入電流,從而在硬開關(guān)電路中引入高輸入損耗。
參考文獻(xiàn)
1張占松、蔡宣三,開關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì),電子工業(yè)出版社
2UNITRODE,productandapplicationguide
評(píng)論
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