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有圖有真相:針對無橋APFC電路的單周期控制方案與應(yīng)用

發(fā)布時間:2014-01-08 責(zé)任編輯:mikeliu

【導(dǎo)讀】隨著電子電力技術(shù)的飛速發(fā)展,人們對于功率因數(shù)的要求也越來越高。因為一些存在沖擊性的用電設(shè)備,很可能由于輸入電流而產(chǎn)生嚴(yán)重的畸變,導(dǎo)致諧波被污染。所以,今天給大家?guī)淼姆桨笇Υ蠹姨岣吖β室驍?shù)上有很大的幫助!

早期功率因數(shù)校正采用在整流器后加濾波電感電容實(shí)現(xiàn),功率因數(shù)一般只有0.6左右;在20世紀(jì)90年代,有源功率因數(shù)校正(APFC)產(chǎn)生,是在整流器和負(fù)載之間接入一個DC/DC 開關(guān)變換器,其基本原理是通過控制電路強(qiáng)迫交流輸入電流波形跟蹤交流輸入電壓波形,從而實(shí)現(xiàn)交流電流波形正弦化。并與交流輸入電壓波形同步,功率因數(shù)可提高到0.99以上。

APFC 電路拓?fù)?/strong>

1、傳統(tǒng)有橋APFC拓?fù)?/strong>

傳統(tǒng)Boost APFC 電路組成由整流橋和PFC 組成,如圖1所示。工作時流通路徑有三個半導(dǎo)體工作,功率因數(shù)低。當(dāng)變換器功率和開關(guān)頻率提高時,系統(tǒng)通態(tài)損耗明顯增加,整體效率低,且控制電路較復(fù)雜。
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2、基本無橋APFC拓?fù)?/strong>

針對傳統(tǒng)有橋電路的問題,本文提出了既能提高PF而且通態(tài)損耗低的無橋電路,如圖2所示。表1為有橋拓?fù)浜蜔o橋拓?fù)涞膶Ρ取?br />
有圖有真相:針對無橋APFC電路的單周期控制方案與應(yīng)用

從表1看出,當(dāng)MOSFET導(dǎo)通和關(guān)斷時,無橋APFC相對于有橋APFC 都節(jié)省了一個二極管。經(jīng)過理論計算后得出,無橋拓?fù)銩PFC 在全功率輸入時,可提高約1%的效率。而且無橋拓?fù)涓陔娐芳苫?。但基本無橋Boost APFC 電路存在共模干擾嚴(yán)重、電流采樣難的問題。

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3、雙二極管式無橋APFC拓?fù)?/strong>

為了解決基本無橋Boost APFC 電路EMI 嚴(yán)重、電流采樣難的問題,對基本無橋Boost APFC 電路加以改進(jìn),如圖3所示,在基本無橋Boost APFC 電路上增加兩個快恢復(fù)二極管VD3和VD4。

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圖3中,電阻Rs 為電感中的電流檢測電阻,使電流檢測電路減化。雖然Rs 在工作時會產(chǎn)生一定損耗,但只要阻值選擇合適,檢測電阻的損耗占整個功率損耗的百分比很小。這樣交直流側(cè)共地,達(dá)到抑制共模干擾的目的。
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4、雙二極管式無橋拓?fù)涔ぷ髟黼p二極管式無橋電路工作過程如下

(1)電源電壓正半周時,如圖4所示,圖4中粗黑線所示即為輸入電壓正半周時電流路徑。

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模態(tài)一:二極管VD1,VD2 反偏截止。控制開關(guān)管VT1導(dǎo)通,輸入電流從電源正極經(jīng)L1,VT1,VD4回到電源負(fù)極形成電流通路,給電感L1 儲能。負(fù)載由儲能電容C提供能量。

模態(tài)二:開關(guān)管VT1 關(guān)斷,電感電流突變時產(chǎn)生的感應(yīng)電動勢使二極管VD1 正偏導(dǎo)通,電流經(jīng)電感L1,VD1,VD3構(gòu)成回路。此時電感釋放能量,電容C 及負(fù)載RL 由電感和電源串聯(lián)供電。

(2)電源電壓負(fù)半周工作模態(tài)如圖5所示,圖5中粗黑線所示即為輸入電壓負(fù)半周時電流路徑。

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模態(tài)三:VD1,VD2截止??刂崎_關(guān)管VT2導(dǎo)通,輸入電流從電源正極經(jīng)L2,VT2,VD3回到電源負(fù)極形成電流通路,給電感L2 儲能。負(fù)載由儲能電容C 提供能量。

模態(tài)四:開關(guān)管VT2關(guān)斷,VD2導(dǎo)通,電流經(jīng)電感L2,VD2,VD4構(gòu)成回路。此時電感釋放能量,電容C 及負(fù)載RL 由電感和電源串聯(lián)供電。

APFC 控制方案

功率因數(shù)校正傳統(tǒng)的控制方案有三種即峰值電流控制、滯環(huán)電流控制、平均電流控制。但傳統(tǒng)的控制方案必須以乘法器為核心,使得控制電路復(fù)雜。

本文選用無需乘法器的新控制方法-單周期控制。

單周期控制的最大特點(diǎn)是:通過控制開關(guān)的占空比,讓電路無論處在穩(wěn)態(tài)還是瞬態(tài)都能使受控量的平均值恰好等于或正比于給定VREF,從而在一個周期內(nèi)有效地抑制了電源側(cè)的擾動。單周期控制技術(shù)在控制回路中不需要誤差綜合,具有系統(tǒng)響應(yīng)快、開關(guān)頻率恒定、電流畸變小、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn),在APFC電路的新型控制技術(shù)應(yīng)用廣泛。

IR1150是一種CCM 控制芯片,它采用了IR公司特有的單周期控制技術(shù),為APFC電路提供了一種低成本、設(shè)計簡單的解決方案。該芯片內(nèi)部主要由電壓誤差放大器、電流檢測放大器、復(fù)位積分器、PWM比較器以及RS 觸發(fā)器組成,另外還有7 V 參考電壓和一些保護(hù)電路。核心電路為積分復(fù)位器,如圖6所示。

有圖有真相:針對無橋APFC電路的單周期控制方案與應(yīng)用

其控制環(huán)路包括電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán),電流環(huán)采用了內(nèi)嵌式的輸入電壓信號,通過脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)與輸入電壓相關(guān)的占空比,使輸入平均電流跟隨輸入電壓且為正弦波,只要電路工作在連續(xù)模式,這種跟蹤關(guān)系就能維持。單周期工作波形如圖7所示。

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無橋APFC 電路仿真

1、仿真電路

本文采用MATLAB Simulink中的SimPowersystems模塊集里的模塊搭建無橋有源功率因數(shù)校正仿真電路,如圖8所示。

有圖有真相:針對無橋APFC電路的單周期控制方案與應(yīng)用

仿真參數(shù)設(shè)計:輸入交流電壓15 V,50 Hz;輸出直如圖8所示,虛線框內(nèi)為雙二極管式無橋APFC 主電路。其中:ui是輸入交流15 V 源,VD1~VD4 是快恢復(fù)二極管,VT1,VT2 是開關(guān)管。L1,L2 為升壓電感,Cout是輸出電容,RL 是直流負(fù)載,R1,R2 ,R3 是輸出電壓采樣電阻,Rs 是輸入電流檢測電阻,Subsystem1是功率因數(shù)測量子系統(tǒng)。示波器u/i,示波器i,示波器uo,示波器PF分別用來測量輸入交流電壓電流,輸入交流電流,輸出直流電壓,系統(tǒng)功率因數(shù)。
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圖8實(shí)線框內(nèi)為單周期控制的驅(qū)動電路,其控制原理是調(diào)制電壓Vm 由主電路輸出電壓經(jīng)分壓電阻R3 得到的反饋電壓與7 V基準(zhǔn)電壓VREF 比較后所得,并分為兩路:

Vm 與電流檢測信號Iin Rs 經(jīng)過運(yùn)算得到Vm - Iin Rs;積分器對調(diào)制電壓Vm 積分得到三角波∫Vm dt.

在脈沖來臨時,積分器工作,然后以上兩路信號進(jìn)行比較,當(dāng)Vm - Iin Rs >∫Vm dt 時,比較器輸出為1,驅(qū)動開關(guān)管開通;當(dāng)Vm - Iin Rs <∫Vm dt時,比較器輸出為0,開關(guān)管關(guān)斷。

2、仿真結(jié)果

圖9(a)為輸入電流波形,可以看到電路穩(wěn)定后,基本為正弦波。圖9(b)是對輸入電流在0.102~0.103 s的仿真時間內(nèi)進(jìn)行局部放大,可以清楚地看到輸入電流能及時地跟蹤輸入電壓,達(dá)到功率校正的目的。

有圖有真相:針對無橋APFC電路的單周期控制方案與應(yīng)用

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經(jīng)過仿真分析,由圖10看出輸入電流波形為連續(xù)的正弦波,與輸入電壓波形同相位。由圖11看出系統(tǒng)穩(wěn)定后輸出直流電壓達(dá)到28 V,滿足設(shè)計求。

由圖12看出交流網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)高達(dá)0.999.由圖13看出輸入電流諧波畸變率為6.82%,滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)。所以,設(shè)計的單周期控制的無橋APFC達(dá)到設(shè)計目的。

有圖有真相:針對無橋APFC電路的單周期控制方案與應(yīng)用
有圖有真相:針對無橋APFC電路的單周期控制方案與應(yīng)用

總結(jié):
利用無橋APFC,主電路所用開關(guān)器件少,電路效率高,而且利于電路集成化的特點(diǎn),有效地提高了功率因數(shù)。而本文的控制方案不再需要乘法器,簡單易于實(shí)現(xiàn)。從仿真結(jié)果看,本方案達(dá)到了功率因數(shù)校正的目的。

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