【導讀】對于電子系統(tǒng)工程師而言，降低諧波、提高功率因數(shù)是工程師們設計時候的重要指標之一。本文所設計的AC/DC(開關)電源變換器，采用升壓型APFC技術，對于工程師們設計高功率因數(shù)、低諧波含量的工業(yè)負載具有積極意義。
隨著生產(chǎn)的發(fā)展和技術的進步，特別是各種具有整流入端的電力電子負載的廣泛應用，即各種非線性的、時變的負載和設備的大量涌現(xiàn)，電力系統(tǒng)中產(chǎn)生大量諧波并對電力系統(tǒng)的安全運行產(chǎn)生威脅。電力系統(tǒng)的諧波問題和低功率因數(shù)問題，主要由各種中小負載和設備的電子電源和電力電子裝置造成的，它們是最嚴重的污染源。
圖1
因此應采用有效的措施，降低電子電源和電力電子裝置的諧波，提高功率因數(shù)。目前絕大部分電子電源都采用如圖1-a所示的非控二極管整流、濾波大電容和開關穩(wěn)壓電路結構，把AC電源變換成DC電源。這種AC/DC變換電路的輸入電壓雖為正弦波，但輸入電流卻發(fā)生了畸變，如圖1-b所示，造成電網(wǎng)側輸入電流嚴重的非正弦化輸入電流非正弦化必然導致電流總諧波失真(THD)高和功率因數(shù)(PF)低(這種AC/DC變換器線路功率因數(shù)一般只有0.5～0.7，造成的諧波含量很高，僅3次諧波就達6O以上)，影響整個電力系統(tǒng)的電氣環(huán)境及用電設備的安全經(jīng)濟運行。
有源功率因數(shù)校正(APFc)原理
提高電子電源的功率因數(shù)，抑制其電流諧波畸變，目前有無源校正和有源校正兩種方案。無源校正是在電路中串聯(lián)(或并聯(lián))無源LC諧振回路，使電路入端電流接近正弦波；有源校正是在電路中加入有源控制電路，使入端電流在一定程度上可控，從而校正電流波形，實現(xiàn)低諧波，高功率因數(shù)；有源校正電路比無源校正電路在效率、重量和成本等方面均有優(yōu)勢。因此對中小功率應用，最有效的措施是采用有源功率因數(shù)校正技術。有源校正方案在實現(xiàn)過程中，有降壓變換型、升壓變換型和反激變換型。其中降壓變換型功率因數(shù)校正電路的輸出電壓難于控制}而反激變換型功率因數(shù)校正電路的峰值電流比較高，所以功率容量差；升壓型功率因數(shù)校正電路的輸入電壓范圍寬，一般認為是最合適的電子電源功率因數(shù)校正電路。
升壓型有源功率因數(shù)校正技術主要是控制已整流后的電流，使之在對濾波大電容充電之前，能與整流后的電壓波形同相，從而避免了電流脈沖的形成，達到改善功率因數(shù)的目的。電路原理如圖2-1所示，在工作過程中，輸入電感L。中的電流受到連續(xù)監(jiān)控和調節(jié)，使之能跟隨并與整流后單相正弦電壓成比例。通過乘法器實現(xiàn)由輸入誤差信號V和輸入電壓來調控正弦基準電流I的幅度，從而達到調整輸出電壓的目的。有源功率因數(shù)校正電路盡管作用明顯，但控制電路比較復雜，隨著電子技術的發(fā)展，專用于APFC的Ic電路已對設計高功率因數(shù)、低諧波失真的各類電子電路提供了技術支持。
圖2-1
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MC34261的電路結構與特點
MC34261單片Ic主要采用雙列直播式8腳塑封，其引腳定義如圖3-1所示。
圖3-1
其中腳1(VFB)為反饋電壓輸入端}腳2(COMP)為誤差放大器輸入端，與腳1接有補償元件;腳3(MULTIN)為乘法器輸入端；腳4(c.S+)為電流傳感輸入；腳5(I一)為零電流檢測輸入；腳6(GND)為接地腳；腳7(V。)為PWM驅動輸出端，直接驅動MOSFET；腳8(V)提供正電源電壓。MC34261由內部電源、欠壓鎖定、誤差放大器、一象限乘法器、電流傳感比較器、零電流檢測器、電流檢測邏輯及驅動輸出等單元電路組成。內部功能框圖如圖3-2所示。
圖3-2
MC34261的啟動閥值電壓為10土0+8V，啟動電流是0.3mA，工作電流典型值是7.1mA，峰值驅動輸出電流為0.5A，動耗不大于0.8W。除欠壓鎖定之外，MC34261的保護功能還包括輸出箝位、峰值電流限制等。MC34261屬于可變頻率不連續(xù)電流型功率因數(shù)控制Ic。與固定頻率不連續(xù)電流型控制Ic比較，MC34261可提供更高的APFC能力和更低的liD。MC34261的引腳排列和引腳功能與SILICINGENERAl公司的SG3561A和三星公司的KA7524相同，性能等效于西門子公司的TDA4817，但引腳排列不同。APFC型AC/DC電源變換器電路結構和工作波形。
以升壓型有源功率因數(shù)校正IC電路MC34261為基礎的(開關)電源變換器的設計思想是把MC34261作為APFC前置調節(jié)器，置于二極管整流電路中，監(jiān)控入端電流，使電流波形跟蹤電壓波形的變化，調整入端電壓、電流的相位，達到抑制電流諧波、提高電源變換器4-1由MC34261控制的AC/OC(開關)電源變換器電路。
圖4-1
其基本工作過程是，工頻市電經(jīng)LC射頻驅動Q再次導通，Q可等效為由Ic控制的開(RF)濾波和橋式整流后，得到正弦半波直流脈關K，由MC34261控制的APFC開關電源的沖電壓。通過的電流首先向cs充電，當cs開關特性如圖4-2所示。上的電壓達到的約10V時，控制器Ic被啟動并開始工作。正弦半波直流電壓經(jīng)R、R組成的分壓器分壓通過腳3輸入到Ic的一象限乘法器。在濾波大電容c上的直流輸出電壓V被電阻分壓器中R。取樣，經(jīng)腳l輸入到Ic中的誤差放大器的反相輸入端，與2.5V的基準電壓比較并放大，輸出一個直流誤差電壓也送到乘法器，乘法器的主要作用就是保證AC輸入電流Im跟蹤輸入電壓v的變化。流經(jīng)開關功率管MOSFET(Q)的導通電流在R上轉換成電壓信號，經(jīng)R，、C。組成的低通濾波器濾渡，通過腳4輸出到1c的PWM比較器，由升壓電感L的副繞組，將L中的電流信號取樣并經(jīng)腳5輸入到1c中的零電流檢測器，這樣1c中的邏輯電路的觸發(fā)，同時受到電流傳感比較器和零電流檢測器的輸出信號的控制，并保證Ic的腳7在同一時刻只有一個PWM脈沖輸上。當L中電流由0增到最大值的過程中，Q導通，而二極管D中無電流通過；當I從最大值下降直到變?yōu)?之前，Q則截止，而D中有電流通過;一旦降至零，Ic腳7就輸出PWM脈沖。
圖4-2
APFC型AC/DC電源變換器電路結構和工作波形
由MC34261控制的APFC型(開關)穩(wěn)壓電源電路結構如圖4一1所示。驅動Q再次導通，Q可等效為由Ic控制的開關K，由MC34261控制的APFC開關電源的當cs開關特性如圖42所示由于Ic的控制作用，L中峰值電流的包絡曲線緊緊跟蹤AC輸入電壓的變化，在APFC電子電源變換器電路中，Ic腳7輸出驅動電壓n電感電流“AC輸入電壓和輸入電流Ii，v等渡形如圖4-3所示。
圖4-3
由于AC輸入電壓V和DC輸出電壓vw都受到Ic的監(jiān)控，1c通過輸出PWM驅動脈沖控制MOSFET的開關時間，故在APFC電路的輸出端可產(chǎn)生高度穩(wěn)定的直流電壓。當.一旦升高時，Ic腳7就輸出寬一些的驅動脈沖，使MOSFET導通時間變長，從而使降至設定的穩(wěn)壓值值得說明的是，這種開關穩(wěn)壓電源要求DC輸出電壓必須高于峰值AC輸=入電壓，因此對MOSFET的耐壓要求較高，在設計時，須引起注意。
采用升壓型APFC技術設計的AC/DC(開關)電源變換器具有明顯的優(yōu)點，對于我們設計高功率因數(shù)、低諧波含量的工業(yè)負載具有積極意義。本文的目的是使每一個電子系統(tǒng)工程師意識到對他們所設計的每一個工業(yè)負載或設備，應把降低諧波、提高功率因數(shù)作為系統(tǒng)設計的一個重要指標之一。與其把電力系統(tǒng)污染后，再被動地進行治理和補償，不如我們主動地把工業(yè)負載或設備的電子電源和電子裝置設計成低諧波、高功率因數(shù)的非污染源，自覺維護電力系統(tǒng)的電氣環(huán)境，提高我國工業(yè)設備的用電質量。
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