APFC技术在AC/DC变换器中的应用

姜艳秋， 王 葳， 张华威

（1.黑龙江科技大学电气与控制工程学院，哈尔滨150022；2.黑龙江科技大学理学院，哈尔滨150022）

APFC技术在AC/DC变换器中的应用

姜艳秋1， 王 葳2， 张华威1

（1.黑龙江科技大学电气与控制工程学院，哈尔滨150022；2.黑龙江科技大学理学院，哈尔滨150022）

为了不断提高开关电源的性能，保障用电系统的安全性，采用有源功率因数校正（APFC）方法，设计并制作了单相AC/DC变换器。对系统进行实物制作和测试，测得输入交流20、24和30 V电压下的系统效率。结果表明：系统无论是满载还是轻载，电源效率均达到85%以上，与以往单相AC/AD变换器相比，该系统控制灵活，体积小，功率因数高，效率高，极大地提高了用电系统的稳定性和高效性。

开关电源；APFC；Buck电路；STM8S207RB

开关电源是所有用电系统中必不可少的重要设备之一。随着用电系统的不断增多，提高开关电源的性能显得尤为重要。笔者以意法半导体公司生产的控制芯片STM8S207RB为微处理器，采用APFC的方法［1］，试图设计制作高性能的AC/DC变换器，达到系统效率高、性能好，稳定性强的目的。

1　工作原理

系统主要由整流电路、Boost型APFC电路、Buck型降压电路、PWM信号产生电路、驱动电路和微处理器等构成，见图1。输入市电通过自耦变压器变压后得到24 V交流电压，经不可控整流桥整流，先后进行了有源功率因数校正电路和Buck型降压电路两级变换，最后输出稳定的24 V直流电压。同时，系统具有过流保护自启动功能，当输出电流过大时，自动断电停止工作，5 s后，重新重启。STM8S207RB微处理器通过电压电流采样电路进行内部的A/D转换，由数码管显示电流电压值，观察方便［2］。

系统中有源功率因数校正（APFC）是核心部分，其结构是在整流器与输出电容器之间串联有源功率控制器，使AC/DC变换器的输入电流和输入电压为同频同相的正弦波，从而功率因数接近1，且输出电压稳定。APFC按主电路拓扑结构来划分，可分为Buck型、Boost型以及Buck-Boost型拓扑等。

图1　系统结构Fig.1 System structure diagram

2　系统设计

2.1Boost型APFC模块

图2　Boost型APFC的硬件电路Fig.2 Boost APFC hardware circuit

APFC模块主要由主电路和控制电路组成，如图2所示。主电路采用Boost型拓扑结构的变换器进行升压，控制电路主要由MC34261功率因数控制器以及对应的外围电路组成［3-8］。将市电AC220 V经过自耦变压器变压后，主电路的输入电压为AC24 V，通过整流桥进行整流后，最后通过Boost型拓扑结构变换到预想的电压值。控制电路的驱动信号由电阻进行分压，分压值反馈到MC34261的电压误差放大器进行放大，其输出值作为内部乘法器的一个输入端，另一个输入端则为电网电压波形的反馈值，经过乘法器放大的波形输出后与电感电流进行内部的误差放大器相比较，最终输出信号驱动MOSFET管BUK7520-100A，使电路输出为稳定的DC90 V，且功率因数PF为0.96。图2中ABCD分别为输出两端和连接过流保护自启动电路的继电器常闭的两端［9-10］。

2.2Buck型降压电路

Buck型降压电路主要由主电路和控制电路组成，如图3所示。主电路采用Buck型拓扑进行降压，控制电路由SG3525PWM控制芯片及对应的外围电路组成［11-12］。主电路的输入电压为直流电压90 V，通过由MOSFET管、电感器、二极管组成的Buck型拓扑变换到预想的电压值。控制电路的驱动信号由电阻进行分压，分压值反馈到SG3525的内部误差放大器的反相端进行放大，误差放大器输出的值与组成的振荡电路进行比较，因此输出不同占空比的PWM驱动信号驱动MOSFET管BUK7520-100 A，输出稳定的DC24 V，其中11脚和14脚分别输出一路互补的PWM方波。为了解决MOSFET管的源级与控制电路不共地的问题，加入了驱动变压器隔离，增加了驱动MOSFET管的能力，图3中AB为一级变换Boost型APFC电路的输出两端。

图3　Buck变换器的硬件电路Fig.3 Buck converter hardware circuit

3　测试结果

对系统进行实物制作和调试，测得输入交流20、24和30 V电压下的系统效率，数据见表1。从表1中数据分析可知，系统无论满载还是轻载，电源效率均超过了85%，最高达88.29%。系统主要波形测试结果如图4所示，其中，图4a为MC34261的输出波形，用示波器通道1测试，探头设置为×1，该波形驱动Boost型APFC电路的MOSFET，因此，波形为方波；高电平时MOSFET管导通，低电平时MOSFET管关闭。图4b为SG3525芯片11脚和14脚的输出波形，分别由示波器的通道1（探头设置为×1）和通道2（探头设置为×10）测试，幅值相同，为两个互补的波形，并且存有一定的死区时间，防止直通，该设计将这两个引脚分别连接到隔离变压器的两端来驱动BUCK电路MOSFET管。图4c为输入电流波形和整流后的电网电压波形，两波形基本接近于正弦波，两波形的相位差为0，实现了功率因数校正的功能，且功率因数为1。

表1　电源效率测试数据Table 1 Power efficiency test data

图4　系统测试结果Fig.4 System testing results

4　结束语

APFC技术在AC/AD变换器中应用效果良好。通过对系统的设计和制作，与以往单相AC/DC变换器相比，系统基于STM8S207RB的数字开关电源系统，方便地实现了APFC、DC/DC变换、信号的反馈和保护功能，简化了系统的硬件设计。该系统效率高、功率因数高、保护自启动性能好，充分地提高了用电系统的稳定性。

［1］ 杨庆江，景艳凤，李 晓.单周期控制单电感三电平无桥升压的功率因数校正［J］.黑龙江科技学院学报，2012，22（6）：604-607.

［2］ 郭殿林.顺时电流法的单相光伏并网发电系统的研究［J］.黑龙江科技学院学报，2013，23（6）：552-556.

［3］ 赖联有.一种Boost变换APFC电路的设计与仿真［J］.江西理工大学学报，2012，33（1）：56-59.

［4］ 龚仁喜，任 文，梁远文.基于双电感的APFC软开关的实现［J］.电气开关，2010（1）：24-27.

［5］ 吴生红，毛兴奎，王小彬.基于APFC芯片控制的光伏并网逆变器研究［J］.电力电子技术，2012，46（3）：52-54.

［6］ 周祎隆，唐厚君，王晓虹.一种单神经元PID控制的单相APFC的设计［J］.变流技术，2012，34（5）：23-25.

［7］ 李华武，马红星，郑海博，等.采用电流近似法多级交错模拟APFC的研究［J］.电力电子技术，2013，47（1）：86-88.

［8］ 王建飞，付纯菲.基于UCC3818大功率APFC电源设计［J］.变频器世界，2013，32（1）：51-54.

［9］ 刘胜利.开关电源设计与制作实践［M］.北京：电子工业出版社，2011：140-157.

［10］ 赵金宪，赵 雷.基于改进低频电源法的采区漏电监测［J］.黑龙江科技学院学报，2012，22（5）：521-525.

［11］ 姜艳秋，陈丽娟，王国新.核磁共振找水仪发射机控制系统的设计［J］.自动化与仪器仪表，2009（3）：58-60.

［12］ 姜艳秋，赵 杰，李 满.煤矿巷道瓦斯变压变频监控系统［J］.黑龙江科技学院学报，2010，20（6）：457-459.

（编辑徐 岩）

Application of APFC technology in AC/DC converter

JIANG Yanqiu1， WANGWei2， ZHANG Huawei1
（1.School of Electrical&Control Engineering，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China；2.School of Sciences，Heilongjiang University of Science&Technology，Harbin 150022，China）

This paper is an effort to improve the performance of switch power supply and ensure the safety of power system operation.This effort consists of designing and constructing the single phase AC/DC converter using active power factor correction（APFC）；performing physical production and testing of the system and measuring system efficiencies under the input voltage 30 V AC of20，and 24.Results show that the system working with full or light load exhibits power efficiency higher than 85 percent and boasts advantages，such as a greater control flexibility，smaller volume，higher power factor and higher efficiency，than the conventional single-phase AC/AD converter，with a consequent contribution to greatly improving the stability of power system and efficiency.

wwitching power supply；APFC；Buck circuit；STM8S207RB

10.3969/j.issn.2095-7262.2014.05.023

TP212

2095-7262（2014）05-0543-03

A

2014-07-12

姜艳秋（1981-），女，黑龙江省富锦人，讲师，硕士，研究方向：电气自动化，E-mail：21841934@qq.com。