大功率有源功率因数校正器设计

丁洪凯 王安华 王治森 崔 杨 张元科

黑龙江科技大学电气与控制工程学院，黑龙江 哈尔滨 150022

1 引言

当今社会不论是航空航天、军事工业，还是汽车制造、家用电器等，模块化和集成化的趋势越发明显[1]，随着电动机、变压器和照明日光灯等感性负载的大量使用，电源畸变和谐波带来的危害无处不在，因此，研究有源功率校正器具有实际意义[2]。

2 系统设计

2.1 整体方案

系统结构如图1 所示，主电路包括输入滤波、EMI滤波器、桥式整流单元、电流互感器、Boost 变换单元、电压反馈采样电路和输出滤波单元等。

图1 系统结构框图

系统输入为单相市电（AC220V），在设计时考虑实际应用时市电20%的波动范围，一般为AC175V—265V。本设计主要包括输入、输出整流滤波单元，功率单元及主控单元等。

开关电源会辐射比较严重的且难以预料的电磁干扰EMI。因为EMI 产生于非特性寄生参数中，包括线路的感性、阻性、导线和导线之间的容性等，因此设计相应的整流滤波单元电路。主电路采用BOOST 非隔离拓扑结构。该拓扑的核心元器件包括输入端电感、开关管、整流二极管等。该电路为升压电路，与Buck电路相比较，开关管在开通阶段和关断阶段，电感电流都不会出现电流断续的工作状态，正是由于输入电感的存在，该拓扑非常适合对输入端进行零电流检测，且输入侧具有较低的电流纹波和噪声，可以优化滤波电路的参数指标；另外，该电路与Buck 电路相比较，MOSFET 的源极（或者为IGBT 的发射极）处的电位一直为零，可以使驱动电路更加简化。控制核心采用MC34261 芯片，该芯片内部具有图腾柱驱动输出结构，可以轻松驱动MOS 管。通过该主控芯片对温度进行检测，将输入电流波形及输出电压反馈大小送入MC34261 内部的乘法器，并采集输入电感的零电流信号从而对输入电流进行校正，达到功率因数校正的目的[3]。

输入端整流滤波单元如图2 所示，由L2、CY2、CY2 构成，L1 为输入端共模抑制器，可以降低EMI（电磁干扰）的干扰。CY2、CY2 选择500V/472K 规格的陶瓷电容，其具有容值小、耐压高、内阻低的优点，尤其对高频噪声干扰具有一定滤波作用。L2、CY2、CY2 共同构成输入端滤波单元电路。

图2 输入端整流滤波单元

BOOST 变换单元如图3 所示。该拓扑的核心元器件由输入端的电感、开关管、整流二极管构成。

图3 BOOST 功率电路图

输出滤波单元如图4 所示。C5、C8 所示构成输出滤波电路。输出端压400V，对应滤波电容为C5A、C5B，这里选择两只220uF/500V 的电解电容并联以减小内阻，电解电容在这里主要作用是滤除低频噪声。C5D 为瓷片电容，选择105（1uF）/500V，瓷片电容容值较小，且由于材质原因，对高频噪声的滤除作用效果较好。

图4 输出滤波单元

系统选择IR2110 构成驱动单元。IR2110 的基本作用就是电压放大，每路桥臂采用两个MOS 管组成推挽式电路，主要特点如：具有独立的低端和高端输入通道，悬浮电源采用自举电路，其高端工作电压可达500V，输出电源端（脚3）的电压范围为10-20V，逻辑电源的输入范围（脚9）5-15V，可方便地与TTL、CMOS 电平相匹配，而且逻辑电源地和功率电源地之间允许有 V 的便移量，工作频率高，可达500KHz，开通、关断延迟小，分别为120ns 和94ns，图腾柱输出峰值电流2A。驱动电路如图5 所示。

图5 驱动电路

2.2 主要参数计算

共模滤波电感器计算：此选择输出滤波电容为3300uF 电解电容，然后要确定滤波电路的截止频率[4]，已知电容容量C，可得电感L 表达式：

通常EMI 测试频宽如下：传导干扰：150KH z-30MH z（ 注 ：VDE 标 准0KH z-30M）， 辐 射 干 扰：30MHz-1GHz 实际的滤波器无法达到理想滤波器那样陡峭的阻抗曲线，通常可将截止频率设定在50KHz 左右。在此，假设截止频率为50KHz，则线间电容有1.0uF，则由式(1)得常模电感为 ：

若想获得更低的截止频率，则可进一步加大电感值，截止频率一般不低于10KHz。

MOS 管的选型：本设计输出电压400V，根据BOOST 电路拓扑结构特点，开关管的电压应力等于输出电压。开关管的最大电流与电感电流相等。计算如式(3)和式(4)：

最大周期Tmax 为：

由Tmax 公式可求得电感感值L：

又因为：

则，

3 仿真分析

根据本设计方案，构建了Matlab 仿真模型如图6所示。图7 所示为仿真输出电压和电流波形，可见建立稳定的输出电压用时不到0.2s，响应速度快[5]，输出电压为400V、电流为7.5A，且输出电压纹波为±9V（2.25%），输出电流纹波为0.15A（2%）左右，均满足要求。

图6 输出电压、电流波形

图7 仿真电路图

4 结论

通过对大功率有源功率因数校正器的设计、计算和仿真分析，验证了系统能够达到预期功能，输入为AC220V，输出为5V/6A，在突加负载时波形也较稳定，响应速度快，且输入电流跟随输入电压，相位、波形一致，功率因数校正效果良好，实现了升压型有源功率因数校正功能。提高电能的利用率，在误差范围内能够达到实际指标要求，从而减少了开关电源设备对电网的谐波污染。