弧焊整流PFC设计

郭凤德

(乐山师范学院 物理与电子工程系，四川 乐山 614004)

弧焊整流PFC设计

郭凤德

(乐山师范学院 物理与电子工程系，四川 乐山 614004)

晶闸管弧焊整流焊接系统中输入电网电流产生严重畸变，针对这一问题，提出了用Boost电路提高功率因数，即功率因数校正。分析电网电流畸变原因，详细介绍了L4981功率因数校正芯片的工作原理和外围电路，同时计算外围电路参数值的大小。为提高焊接系统电源质量提供一定的指导作用。

整流；PFC；L4981

0 前言

随着电力电子技术的发展，在弧焊电焊焊接系统中，整流(不控、可控)电源以提高效率和功率密度在焊接系统中占主导地位。实际上，开关电源一般都是在整流前端与电网相接，这样就造成了功率因数低，通常为0.45～0.75，且其无功分量基本上为高次谐波，严重影响了电网电能的质量。从电网直接通过整流电路进来的交流电流会发生严重的畸变，它含有对电网有危害作用的谐波，造成输入端功率因数低。在《中华人民共和国通信行业标准》中，功率1 500 W以上的电源单机满载时整机功率因数要大于0.92。在焊接系统中，都使用大功率开关电源，因此，必须要校正功率因数。

基于此，本研究对单相整流进行了功率因数校正分析，提出了解决方案，并介绍了功率因数校正芯片的使用[1-2]。

1 方案设计

图2是图1的单相不控整流电压和电流波形，从图中可以看出，如果不进行功率因数校正，电流波形畸变很大。同样，可控整流的电流波形也会产生很大的畸变。抑制谐波的方法有两种：一种是通过外因接入滤波器，另一种是设计具有功率因数校正功能的电路。在此介绍Boost变换器的APFC电路的控制方法。

图1 单相整流电路

图2 单相不控整流电路电压电流波形

Boost型APFC可使用多种控制方法。按信号取样的不同，分为电压控制模式和电流控制模式。根据Boost电路电感电流的工作模式，分为连续导电模式(CCM)、不连续导电模式(DCM)和临界导电模式(TM)。

连续导通模式的主要优点有：输入／输出的电流纹波小，滤波容易，RMS电流小，器件的导通损耗小。其缺点是：在硬开关状态下，开关损耗较高，尤其是在续流二级管有较大反向恢复电流的情况下。而采用软开关技术又会增加电路的复杂度，制作成本也会提高。采用该模式的PFC电路电感电流波形如图3所示。

图3 电感电流连续导通模式

不连续导通模式的主要优点有：开关管能够实现软开关控制，零电流导通，降低了开关损耗，避免了快恢复二极管的反向恢复电流过大，既降低了损耗又减小了开关管的电流应力。其缺点是：器件的电流应力较大，导通损耗较高，限制了其在较大功率变换器中的应用。采用该模式的PFC电路电感电流波形如图4所示。

图4 电感电流不连续导通模式

临界导通模式的优点有：由于功率开关管在电感电流为零时导通，大大降低了导通损耗和续流二极管反向恢复时的损耗；临界导通模式将电感电流保持在连续和非连续的边界；由于每个开关周期都在电感电流放电至零时结束，只需对电压环路进行补偿。其缺点是：输入电流和输出电压的纹波与连续导通模式相比都较大，由于频率可变也存在潜在的EMI。但是与非连续导通模式相比，临界导通模式的输入电流和输出电压纹波都比较小、功率因数也比较高，但电路结构要复杂一些、控制相对复杂、成本较高[3]。临界导通模式的电感电流波形如图5所示。

图5 电感电流临界导通模式

2 控制电路参数设计

PFC控制芯片(L4981)是由ST公司生产的一种高功率因数校正器集成控制芯片，具有：可控制AC／DC Boost PWM变换器的输入端功率因数接近于1；限制输入电流的THD＜5%；采用平均电流控制方法；恒频控制；过电压、过电流保护功能等特点。L4981结构框图如图6所示。芯片主要管脚的功能特点如下。

IPK(引脚2)：输入过电流保护。OVP(引脚3)：输入过电压保护。IAC(引脚4)：AC电流输入。CA-OUT (引脚5)：电流输出放大器。通过一个外部的网络决定了适当的环路增益来调整乘法器和电感的电流信号，以消除振荡问题。LFF(引脚6)：调整输出负载和乘法器在一个适当的比例，以在瞬间带载中获得更快的响应，如果用不到这个脚的功能，可以直接接到VREF上。VRMS(引脚7)：为了获得一个好的输入电压的波形，最佳的电压范围是1.5～5.5 V。ISENSE (引脚9)：电流输入放大器。VREF(引脚11)：基准电压。SS(引脚12)：软起动。VA-OUT(引脚13)：误差放大器输出，为保证系统稳定，补偿网络设计使系统有足够相位裕量。VFEED(引脚14)：误差放大器输入。ROSC (引脚17)：振荡电阻。COSC(引脚18)：振荡电容。

图7是L4981功率因数校正在BOOST电路中的主要外围电路，主要电路参数确定为[4-5]：

(1)为了得到较为精确的电流保护，若选取R16＝5.1 kΩ，Rs1＝10 mΩ，峰值电流IPEAK＝36 A，可求R15

(2)当输入电压在全电压范围内变化时，PIN4的输入电流IAC变化范围为

式中 Uinpkmin，Uinpkmax分别为交流输入电压最小值和最大值。

图6 L4981结构框图

图7 L4981主要外围电路

若取R11＝990 kΩ，代入式(3)得到

满足L4981规格规定的电流上限要求。

(3)电流放大器通过一个外部的网络决定了适当的环路增益来调整乘法器和电感的电流信号，以消除振荡问题。电感最大的下降斜率(UDC／L11)必须低于振荡器的斜坡，电流放大器的高频增益可用式(5)表达为

式中 USRP为振荡器峰值电压；在此取R17＝43 kΩ，R18＝2.7 kΩ。

C13补偿电容的取值通常要考虑开环的电流增益，要通过电流检测电阻上的电压和输出电压放大器，穿越频率可用式(6)表达

为了保证有一个好的相位裕度，零点频率fz1≈fc1／2。

得到C13＝660 pF，取C13＝680 pF。

(4)为了获得好的输入电压，最佳的电压范围是1.5～5.5 V。为了消除主要的纹波，采用两个低通滤波器，由R12，R13，RRM，C17，C18组成

式中 UINAV为输入交流电压平均值，电压范围157.5～237.6 V。

为保证UPIN7电压范围是1.5～5.5 V，这里取R12＝1.02 MΩ，R13＝82 kΩ，RRM＝20 kΩ，代入式(8)得到

(5)软起动时间为

式中 UVAOUT典型电压为5.1 V；Iss为芯片内部起动电流，取100μ A；取Css＝4.7μ F，则得软起动时间为239.7 ms。

(6)电压环补偿网络设计。为保证输出纹波电压必须衰减到电压误差放大器输出允许值，需要设置误差放大器在二次谐波频率点上的增益值

式中 Gea为误差放大器传递函数。

式中 Ka为常数，f＝50 Hz时，Ka＝1／60；f＝60 Hz时，Ka＝1／70。若取Rf11＝1.16 MΩ，则C16≥0.22μ F，取C16＝0.47μF。

电压环穿越频率为

要使最高直流增益保持22°相位裕量，R14应满足

(7)RT1，CT1共同决定开关频率，取RT1＝33 kΩ，CT1＝1 nF，则开关频率

3 结论

焊接系统中整流电路的输入电流发生了严重的畸变，针对该问题提出用功率因数校正方法校正整流输入电流。介绍了功率因数校正芯片L4981的工作原理、外围电路和保护电路。计算了电路器件参数值的大小，控制思路将为提高焊接系统开关电源的质量提供一定的参考。

[1]王兴贵，邹应炜，刘金龙.全桥型DC／DC开关电源的建模与控制[J].电力电子技术，2007，41(7)：86-88.

[2]周志敏，周纪海，纪爱华.开关电源功率因数校正电路设计与应用(第一版)[M].北京：人民邮电出版社，2004.

[3]齐德明.单相有源功率因数校正电路的研究与设计[D].济南：山东大学，2008.

[4]潘飞蹊.有源功率因数校正电路研究[D].成都：电子科技大学，2004.

[5]魏文祥.单相功率因数校正研究[D].武汉：华中科技大学，2008.

Design of PFC in the arc welding rectifier

GUO Feng-de
(Department of Physics and Electronic Information，Leshan Teachers College，Leshan 614004，China)

Thyristor welding system input power rectifier causes severe distortion，current to solve this problem，this paper proposes using Boost circuit improving power factor，namely the power factor correction.The theoretical analysis for grid current distortion，and introduced in detail the reasons L4981 power factor correction chip works and peripheral circuit，also calculated the size of the outer circuit parameters.This control thought will to improve the welding quality of power system and provide some guidance.

rectifier；PFC；L4981

TG434

A

1001-2303(2011)07-0034-04

2010-12-30

郭凤德(1974—)，男，四川乐山人，实验师，主要从事应用电子、视频技术、电子信息工程技术的工作。