基于L4981A的平均电流控制单相Boost PFC设计

作者：马鹏飞

来源：《工业技术创新》2018年第03期

摘要：基于L4981A，设计了一个输出功率为l500w的，工作于连续导通模式（CCM）下的平均电流控制单相Boost PFC电路。根据输入电流总谐波失真率THD不超过5%、功率因数PF不小于0.99的要求，计算和选取电感、电容等参数，对电路进行设计，通过实验开展测试和分析。计算得出THD为4.376%，PF为0.999，达到了设计要求，在解决电力电子装置谐波污染、提高电网可靠性和供电质量中具有实际应用价值。 关键词：Boost PFC;功率因数校正;平均电流控制;L4981A 中图分类号：TM93 3.3+1 文献标识码：A

文章编号：2095-8412 （2018） 03-048-04

工业技术创新URL：http： //www.china-iti.com DOI：10.14103/j.is sn.2095-8412.2018.03.009 引言

随着电力电子技术的发展，电力电子装置在各领域得到了广泛应用。电网中被注入越来越多的谐波，造成谐波污染，严重影响电网的供电质量和电力的使用安全。为此，电网谐波污染的治理受到了重视，而功率因数校正技术也日益成为研究热点[1-3]。

目前，平均电流控制的单相PFC装置在工业领域中使用较多。与峰值电流控制相比，平均电流控制的优点有：1）无需外加斜坡补偿;2）提高了电流环的直流和低频增益;3）对电流信号噪声不敏感[2。本文对此进行了研究。 1 设计思路与方法

设计思路是以平均電流控制的单相Boost PFC设计为出发点，基于L4981A设计了一个输出功率为1500 W的，工作于连续导通模式（CCM）下的Boost PFC电路，以作为伺服驱动器的电源输入。首先根据电路设计要求对相关参数进行计算和选取，其次分析电路的工作原理，最后给出电路测试结果并进行讨论分析。 具体设计要求和参数选取如下。 1.1 设计要求

本次单相Boost PFC主电路的设计要求为：

交流输入电压（RMS）：Vin（nns）=88～2 V，60/50Hz： 直流输出电压：Vout=400±8V; 输出功率：Pout=1500W; 最大输出电压：Vomax=450V; 开关频率：fs=100kHz： 输入功率因数：PF>0.99：

输入电流总谐波失真：THD<5%;其中，Vin（nns）min为最小输入电压有效值，η为Boost级效率，这里取0.9。 1.2 参数选取 1.2.1 高频输入电容

高频输入电容的计算公式为[4]其中，K△IL为电感电流的纹波系数，通常取10%～30%较为合适，这里取K△IL=25%;λ为高频电压纹波系数（△Vin/Vin），取λ=6%。计算得Cin=1.43μF，此处选取3个0.68 μF/250 V的电容并联。 1.2.2 输入电感

电感的设计需要明确电感电流的纹波系数。考虑到电磁兼容性的要求，仍选取纹波系数K△IL=25%。当交流输入电流达到峰值时，电感电流纹波将达到最大值[5]。 输入电感的计算公式为

计算得Lmin=12.5mH。为得到较好的动态性能，这里取L=14mH。 1.2.3 输出滤波电容

输出滤波电容的值对输出电压的纹波有着直接影响[6]。电容值应满足其中，fr=100Hz，为整流后的电压频率;△V为期望的输出电压纹波，此处选取△V=8V。计算得Cout>746μF，此处选取3个330μF/450V的电容并联。 2 Boost PFC的平均电流控制系统

该节提出了电路结构，分析了变换器工作原理，介绍了平均电流控制策略。 2.1 电路结构

图1所示为Boost PFC的基本电路图，主要包括：将交流电变换为直流电的整流桥、高频滤波电容Cin.电感L、开关管Q、二极管D、输出滤波电容C。以及负载R。 2.2 变换器工作原理

中大功率的Boost PFC常工作于CCM模式，此时的Boost变换器主要有2个工作模态：开关导通模态及开关关断模态。

当开关Q导通时，其工作状态如图2a所示，此时有[7，8] 2.3 平均电流控制策略

Boost PFC的平均电流控制策略如图3所示，其中，Hl（s）为电流补偿器，Hv（s）为电压补偿器，Rs为电流采样电阻。可以看出，Boost PFC的平均电流控制采用双环控制策略，内环为电流环，外环为电压环。电压环的输出与采样后的输入电压经过一个乘法器，其乘积作为电流环的输入。经过电流环后，产生控制开关管通断的PWM信号，以此达到功率因数校正的目的[9。其中，乘法器的作用是使得电感电流能够很好地跟踪输入电压的波形。 3 测试与分析

测试使用到的主要仪器有数字示波器（带2个电压探头）、电流钳、直流稳压电源、隔离变压器、万用表、红外热像仪、电风扇等，还使用了PFC单板、TSV-30A伺服驱动器以及负载平台，如图4所示。

用数字示波器测得PFC板带伺服驱动器在负载1500W下的输入电压及电流波形，结果如图5所示（横轴每栅格代表10ms，纵轴每栅格代表20V，对输入侧电压进行了1/5分压）。 用MATLAB对电流波形进行频谱分析，如图6所示。其中，X轴为频率，基波为50Hz，有10Hz的偏差;Y车由为电流最大值。可以看出，电流的高次谐波含量已经很少。

对频谱分析结果进行定量计算，得到其功率因数PF值和总谐波失真率THD。由于七次以上的谐波值较小，计算中忽略不计，总结数据如表l所示。总谐波失真率计算公式为其中，I1为基波，I3、I5分别为三次、五次谐波。计算可得THD=4.376%，满足设计要求中输入电流总谐波失真率不超过5%的标准。

功率因数的计算公式为其中，φ 为电压和电流的相位差，在此次测试中，φ=0。计算可得PF=0.999，满足设计要求中PF值不低于0.99的要求。 4 结论

本文以一个输出功率为1500W的单相Boost PFC系统设计为例，对主电路的参数进行计算和选取，并根据Boost变换器的工作原理，设计Boost PFC电路，进而开展测试与分析。结果表明，本文所设计的单相BoostPFC的输入电流能够很好地跟踪输入电压的相位，功率因数达到0.999，总谐波失真率仅为4.376%，达到了功率因数校正的目的，验证了设计的正确性。 参考文献

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[5]温振兴改进型平均电流控制的快速动态响应Boost PFC变换器研究[J]电源技术应用，2013

[6] 雷永锋，孙莉莉，李自成.基于平均电流的功率因数校正电路设计与仿真[J]现代电子技术，2017，40（14）： 178-182

[7] 王志娟Boost变换器的PFC控制电路设计[J]山西电子技术，2014（6）： 7-8. [8]梅新庆基于boost结构的PFC芯片设计[D]沈阳：辽宁大学，2015

[9]王跃林，申群太基于DSP数字控制的Boost-PFC系统的设计[J]通信电源技术，2007，24（6）： 73-75