基于Boost拓扑的双重PFC系统的设计

徐 攀， 邱瑞昌， 柳宇航， 李智威

(北京交通大学电气工程学院，北京100044)

基于Boost拓扑的双重PFC系统的设计

徐 攀， 邱瑞昌， 柳宇航， 李智威

(北京交通大学电气工程学院，北京100044)

介绍了基于Boost拓扑的功率因数校正技术原理、升压电感的计算，给出了双重Boost PFC的控制方案，设计了一种双重Boost PFC系统。交错式双重PFC，可以大大减小因高频开关引起的电压、电流纹波的输出，降低电感、功率管的电流应力以及滤波器的体积。

功率因数校正；双重；电流应力；纹波

近年来，由于电路中大量电感、电容非线性负载的接入和国际对电能质量的规定，功率因数校正(PFC)技术越来越被广泛应用。而传统的Boost PFC已无法满足大功率和低纹波的要求，所以为了解决这一问题，提出Boost PFC的双重化系统。

交错式双重PFC，不但减小电感容量和开关管的平均电流应力，而且可以使每个开关管的开关频率减半，这就减小了因高频开关而引起的纹波含量，并且由于开关管开通时刻相差180°，即两条Boost支路的纹波相位相差二分之一个开关周期，所以两支路上电感的纹波也会相互抵消。

本设计可以满足1 kW以上的系统，并且其纹波含量控制得很低，对电网的污染极小。这是一个高效、环保、实用的一种系统，其应用领域非常广泛。

1 PFC工作原理

1.1 功率因数的概念

1.2 全桥整流电路产生基波因数原因

通常市电经过滤波和不控整流桥而转变为直流电，如图1 (a)所示。由于这种整流电路是二极管组成，对输入电流不具有可控性，而且电容电压不能跃变，从而当输入电压高于电容两端电压时，二极管才能导通，当前者低于后者时，则二极管不导通。这就形成了电流值电源电压峰值附近才存在的情况，如图1(b)所示。该电流含有大量纹波成分，电路功率因数很低(通常仅达到0.6左右)，纹波含量可达100%到150%，将对电网造成严重的污染。因此，需要对它进行功率因数校正。

图1 全桥整流电路及电压电流波形

1.3 升压电感的计算

电路中电感直接决定着电路的性能、电路的体积以及干扰。为保证电感满足电路要求，电感值计算应考虑最坏的情况：最低电压输入及对应的最大占空比时，能满足设计要求；电感的设计要充分考虑其电路中的具体作用和磁饱和问题。其原理图如图2。

交互式PFC的优点之一是变换器的输入和输出处电感纹波电流的减小。占空比的函数可以用输入纹波电流和独立电感纹波电流来表示，即：。由于两路电感的纹波可以相互抵消，所以每个电感纹波电流的设计可以比单相的高一些。升压电感和选择基于最大允许输入纹波电流，在全电压输入应用时(220 V AC± 10%；198～242 V)，最大输入纹波电流出现在低线电压峰值处，。当允许电感电流有20%的波动时(即设定纹波电流为峰值电流的20%)，则(为开关频率)。

图2 基于Boost拓扑双重PFC系统的原理图

下面计算该拓扑中的电感量。

参数：输入电压220 VAC±10%(198～242 V)；输出功率=1 400 W；输出电压=380 V；效率η≥95%；开关频率=92 kHz。

输入电流最大值的有效值：

选择铁粉芯磁芯：4P772，其电感系数为AL=34，则2.27× 10－8=34×，得出=45。截面积：

所以本文采用的截面积1.3 mm2铜线满足指标要求。

2 工作过程和控制策略

2.1 工作过程

图3 双重交错式Boost PFC的工作模式

图4 双重Boost PFC工作时电感电流和电感电压波形

2.2 控制原理介绍

控制芯片用的TI公司的UCC28070，是一种先进的功率因数校正控制芯片，它集成了两个相位差为180°的脉宽调制(PWM)。这种交错式PWM驱动产生的输入和输出纹波电流大幅减少，传到EMI滤波更容易，成本更低。其中倍频设计是它的一个显著优势，两路PWM中的独立参考电流用的是同一个电流参考量，而且能保证一个稳定的、低失真的正弦输入电流。UCC28070还含有过压检测、可编程峰值电流限制和欠压锁定等功能。另外其工作频率和最大占空比是外围电路设定的。由于两个开关管的驱动脉冲占空比不能为1，否则就全开通，整个电路短路，易击穿开关管。其功能如图5所示。

图5 PFC控制电路图

3 实验及测试结果

基于上述的设计与分析，在实验室制作一个输出功率为1 400 W的系统样机，其主要参数：交流输入电压AC 220 V AC±10%(198～242 VAC)，频率50 Hz；直流输出电压为380 VDC，电压纹波＜100 mVp-p，功率因数＞99%，效率＞95%。

主要器件的选型：选用的功率开关管为MOS管47N60C3，最大允许电流为47 A，足可满足电路所需；与升压电感相连的二极管在电压、电流定额满足要求的同时,由于电路工作频率很高，为避免关断损耗，所以应选择其反向恢复时间<1%的开关周期二极管，可选择快恢复二极管15ETX06；整流桥是GSIB 2560，其中滤波电路的共模电感值为2.3 mH(取截止频率为50 kHz)，升压电感为227 μH(前面已计算)。

图6是输入电压和输入电流波形，可以看出输入电流波形基本校正为标准的正弦波形，经计算功率因数为99.5%；图7是驱动脉冲波形，其开关频率设定为91.7 kHz(通过电阻R13计算得到)；图8是输出直流电压，测得为377 VDC；图9为输出电压纹波波形，其输出电压纹波为70 mVp-p，由于其纹波中绝大部分为二次谐波，因此这里只测试了二次谐波的含量。

图6 输入电压和输入电流实验波形

图7 开关管驱动脉冲波形

图8 输出直流电压波形

图9 输出电压纹波波形

4 结束语

本文提出的功率因数校正电路，其输出纹波低，对电网污染小，功率等级大，并且升压电感尺寸和电流应力小。整个系统的尺寸小，使用寿命长，具有环保、实用、纹波含量小等优点，有广泛的应用。尤其用在开关电源方面，可以克服开关电源输出纹波大的缺陷。因此性能要求高的开关电源，加上该环节后，其性能必然大大改善[1-5]。

[1]浦锡锋，王宏华.基于MATLAB的单周期控制PFC BOOST变换电路建模与仿真[J].电气技术与自动化，2007，36(6):145-147.

[2]东华，马运东.单周期控制BOOST-PFC变换器[J].电源技术应用，2007，10(4):40-43.

[3]杨旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术[M].北京：机械工业出社，2005.

[4]林飞，杜欣.电力电子技术应用技术的MATLAB仿真[M].北京：中国电力出版社，2009.

[5]路秋生.功率因数校正技术与应用[M].北京：机械工业出版社，2006.

Design of double PFC System Based on Boost Topology

A double power factor correction system based on Boost topology was introduced.The principle of power factor correction technology,the capactitance calculation of the Boost inductor,correction control method were given.For the interleaved double PFC,the output of the voltage and current ripple,the current stress of the inductor,the power switch and the size of filter could be greatly reduced.

power factor correction;double;current stress;ripple

TM 131.1

A

1002-087 X(2016)03-0652-03

2015-08-25

徐攀(1987—)，男，河南省人，硕士生，主要研究方向为电力电子和电气传动。