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
[1]陆治国,祝万平,吳春军,等平均电流控制的单相Boost PFC的设计与仿真研究[C]重庆市电机工程学会学术会议2012
[2]SilvaLSCE,SeixasF JMD,OliveiraPD S Experimental evaluationof the bridgeless interleaved boost PFC converter[C]// Ieee/iasIntemational Conference on Industry Applications. IEEE, 2012: 1-7.
[3]YunHJ,KimJH,RyuMH,et al ABoost PFC Rectifier witha PassiveLossless Snubber Circuit Using Coupled Inductors Methodes[C]//Twenty-Seventh IEEE Applied Power Electronics Conference andExposition. IEEE, 2013: 1148-1152
[4]王归新,叶青峰,司新放基于峰值电流控制的单相Boost PFC,技术研究[J]通信电源技术,2017, 34(3): 40-43.
[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
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