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具有功率因数校正的全桥移相软开关电源设计

2022-08-11 来源:好走旅游网
第34卷第4期 天 津 工 业 大 学 学 报 JoURNAL oF TIANJIN PoLYTECHNIC UNⅣERSITY Vo1.34 No.4 August 2015 2015年8月 DOI:10.3969/j.issn.1671—024x.2015.04.013 具有功率因数校正的全桥移相软开关电源设计 付贤松 ,张 远 ,牛萍娟 (1.天津工业大学大功率半导体照明应用系统教育部工程研发中心,天津工程学院,天津摘300387) 300387;2.天津工业大学电子与信息 要:传统高频电源效率较低且对电网造成了污染,运用功率因数校正技术和软开关技术可实现高效率和低污 染.对功率因数电路和全桥电路进行了理论设计和参数估算,设计出了一款2 kW的电源样机,并给出了样 机的功率因数和移相全桥ZVS的实验波形.结果显示设计可行,样机性能指标基本满足设计要求. 关键词:功率因数校正;零电压开关;移相控制 中图分类号:TN86 文献标志码:A 文章编号:1671—024X(2015)04—0063—05 Design of switching power with PFC and phase-shited ffull-bridge soft switching techniques FU Xian—song ,ZHANG Yuan 一,NIU Ping-juan (1.Engineering Research Center of High Power Solid State Lighting Application System of Ministry of Education, anjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China;2.School of Electronics and Information Engineering,Tianjin Polytechnic University,Tianjin 300387,China) Abstract:Traditional switching power supply has low eficiency and polflution on the grid,power factor correction(PFC) technology and soft switching technology is used to achieve high efficiency and low pollution.The main circuit and control circuit were theoretically designed and their parameters were estimated.The switching power proto— type with 2 kW is designed,and the power factor of the prototype and experimental waveforms of phase—shifted full—bridge ZVS were gived.The result shows that this design is practicable and its performance can meet the de— sign requirements. Key words:power factor correction(PFC):zero voltage switching;phase-shitfed control 近年来,高频开关电源技术在理论研究和生产应 用方面都取得了相当多的成果,其研究涉及电力电 关电源.该电源分为前级和后级,前级为采用BOOST 结构的有源功率因数校正电路,控制芯片选取TI公司 的UC3854;后级为采用移相控制软开关技术的全桥 变换器,控制芯片选取TI公司的UCC3895.主电路主 子、自动控制等众多技术领域【】1.功率因数校正、软开 关、电磁兼容性都是开关电源的研究方向[21.目前市场 上普通的大功率高频开关电源噪音大、功率因数低、 稳定性差[31,并且会产生大量谐波,进而污染电网.高 频开关电源内部应用了软开关技术和功率因数校正 要包括单相交流输入电源、整流滤波电路、功率因数 电路、移相全桥变换电路、高频变压器、输出整流滤波 电路同,系统框图如图1所示. 电网 (PFC)技术,具有体积小、效率高、绿色节能、稳定性好 等优点[41,是当前通信电源行业研究发展的主流方向. 本文运用功率因数校正技术和全桥移相软开关技术, 研制了一款大功率、低功耗、低噪音的高性能开关电 源,并对样机进行了实验分析. 1整体设计 图1总体结构框图 本文根据设计指标研制了一款大功率高性能开 收稿日期:2015—01—26 Fig.1 Block diagram of overall structure 基金项目:科技型中小企业技术创新资金资助项目(13ZXCXGX31700) 通信作者:付贤松(1976一),男,博士,副教授,研究方向为数模混合集成电路设计和LED驱动设计.E-mail:fuxians@163_c0 ・--——64---—— 天津工业大学学报 第34卷 设计指标如下:交流输入电压 i 为180~264 V; ,J= =0.56 mH (3) 输入频率为47~63 Hz;输出额定功率为2 kW;开关频 率为100 kHz;直流输出额定电压为l0 V;输出电流调 节范围为0~200 A;整机效率卵≥85%;满载时功率因 数PF>0.95. 式中:占空比D取0.7; 为输出电压i 取100 kHz; △,为峰一峰值纹波电流;电感值 取整数1 m H. 2.2输出电容器设计 因其他技术均很成熟,所以本文只讨论功率因数 两个因数共同决定了电容值,分别是维持时间 校正技术和全桥移相技术. 2功率因数电路设计 传统的开关电源整流桥后直接放大电容滤波,导 致了大量的谐波,这不仅对电网造成了污染,也降低 了功率因数.本文功率因数部分采用UC3854控制,主 要由开关管 、电感 、二极管 叻和输出电容C 组 成.典型电路图如图2所示. 出 Rm CFFl 图2典型应用电路 Fig.2 Typical application circuit 2.1 Boost电感器的选择 电感器决定了输入端的高频纹波电流总量,可按 给出的纹波电流值来选择电感值.电感器的选择始于 输入正弦电流的峰值,最大峰值电流出现在最小电网 电压的峰值处同: 、r D ,l。 = - =15.71 A (1) hl n 式中: 为输入电压最小值;P为输入功率.电感器 中的峰一峰值纹波电流通常选择在最大峰值电网电流 的20%左右.电感值根据低输入电压时半个正弦波顶 部的峰点电流来选择,或根据此处输入电压和开关频 率的占空因数选择.需要给出如下2个方程式: D= (2) 和输出电压纹波的大小.输出电容如下式所述: : :1 714 F (4) o— o i 式中:C。为输出电容;P0为负载功率;At为维持时间 (一般取3 s); 为维持负载工作的最小电压.实际 应用时取4个470 I,zF/450V的电解电容并联,可降低电 容的等效电阻(EsR)和等效电感(ESL)En. 2.3开关管选取 开关管导通时流过的电流为15.7 1 A.功率管采用 优质APT5010LFLT,耐压500 V,最大通态电流40 A. 续流二极管选用UHVP806超快恢复二极管,耐压600 v,正向额定电流70 A,反向恢复时间约为70 Iris. 2.4电流感测电阻R 的计算 感测电阻的电压峰值为l V左右是很好的选择, 该电阻值产生的信号强,因此可以不受噪声的干扰. 尺 值如下式: I/ 尺s=÷ =0.055 n (5) pk 式中: 为感测电阻的电压;,pk为峰值电流. 2.5峰值电流限制 芯片2脚的峰值限制比较器、电阻R 、尺 (如图 2)组成峰值电流限制电路.电阻 、 由9脚的 7.5 V基准电压供电,提供上拉电位,以使2脚电位降 到地电位,这时就限制峰值电流为,P ,也就是 ,P1 s= R1x1 (6) 但当2脚电位为地电位时 = : (7) 那么,当R。 =10 kQ且 =0.75 mA时 1rR:。 一— ~ 乌 (。\/O) R , 当Po=2 000 W时,由前面的计算可知,P=15.71 A,那么当峰值电流限制为2l A时,R 砬=21×0.055/ 0.000 75=1.54 kn. 2.6芯片外围具体电路图 综合上述计算结果并结合UC3854芯片手册,所 设计的功率因数电路图如图3所示. 第4期 付贤松,等:具有功率因数校正的全桥移相软开关电源设计 一65一 注:图中电阻单位为kn 图3功率因数电路图 Fig.3 Power factor circuit diagram 3全桥移相电路设计 为减小开关管的损耗,选取UCC3895控制芯片进 行移相控制,它可使开关管在导通或关断时实现软开 关,极大地减小了开关损耗,提高了效率[81.移相全桥 典型电路图如图4所示.图中,T1为高频变压器,G1一 G4为主开关管,L1为谐振电感.设定开关管G1、G2 为超前臂,G3、G4为滞后臂. 图4全桥电路典型电路图 Fig.4 Typical idagram of full-bridge circuit 3.1高频变压器的设计 首先根据功率容量 P乘积公式来进行估算,为 了多留些余地,可减小主功率变压器的最大工作磁通 密度B =1 000 Gs,可计算得: AP=A ×AQ= PT面X 106=11 (9) 式中:PT为变压器功率; 为效率;. 为开关频率; 、 为常数. 厚型EE70的磁芯有效截面积4 =6.6 cmz,窗口 面积AQ=5.85 cm ,因此厚型EE70的功率容量AP= 38.7,可见它的功率容量足够大[91. 再来计算原边绕组的匝数值: Ⅳp= 圭50 (10) 原副边匝数比为: Vinm= = ̄=20 =_(11) 副边绕组匝数经计算有Ⅳs= =2.5, 实际取3 匝,原边实际取60匝. 3.2主开关管的选用 本设计开关频率较高,故主开关管选用MOSFET. 已知输入直流母线电压最大为370 V,考虑一定余量, 额定电压选为600 V.由式(1)可知,流过开关管的最 大电流大约为21 A.最终选用美国仙童公司的 FCH47N60F,耐压值为600 V,耐流值47 A. 3.3谐振电感参数设计 由已选MOSFET型号可知,集电极到发射极间的 输出电容容量为c =530 pF,忽略变压器原边绕组 电容 ,则由滞后桥臂实现零电压开通(ZVS)的条 件为[ 0]: 2CinVin>T:7.16 H (12) p 流过谐振电感的最大电流为: 一:一  盟:12一… A 1 (13)\1J/  同时,为了防止在满载或大电流情况下占空比严 重丢失,谐振电感量取10 IxH,最大电流为15 A. 3.4芯片外围设计 UCC3895内部振荡器的振荡频率是开关频率的 两倍,因此,开关频率的设计取决于芯片内部振荡频 率的选取[11】.芯片内的振荡器由可调电流对 充电, 上的锯齿波峰值电压为2.35 V,由下式可计算振荡 周期: 一5R 48 T C:—T+120 。 ns“。 (14) 式中:cT的取值范围为100~800 pF,实际取值800 pF; 尺 为振荡器定时电阻,取6 kQ.则振荡器频率约200 kHz,PWM脉冲信号频率为100 kHz. 对两个半桥电路提供各自的延迟,以适应不同谐 振电容器的充电电流【】21.每级的延迟时间可按下式来 设置: tDEL (25×10 )×R (15) nEL 一66一 天津工业大学学报 第34卷 式中:尺吼为延迟电阻.通过设置不同的延迟电阻阻 值,利用电流传感器反馈的电流采样电压和延迟设置 端的偏置电压,可以实现延迟时间的自适应调节. ADS脚可以改变延迟脚DELAB和DELCD上的 /厂\ / 电压 格值:309.85 V/格 峰值:309.8 V 电流 输出电压,ADS脚的电压应该在0~2.5 V之间,并且它 必须小于或者等于CS脚的电压.DELAB和DELCD 格值:1.351 A/格 也将被钳位在最小值0.5 V. 3.5移相全桥电路 综合以上设计并结合UCC3895芯片手册,移相全 桥电路的电路图如图5所示. (a)芯片外围电路图 D9 VCC 注:图中电阻单位为kIl (b)开关管栅极驱动电路图 图5移相全桥电路图 Fig.5 Circuit diagram of phase-shifted full-bridge 4实验结果 为了验证总体结构和控制方法的正确性,本文对 样机的功率因数、全桥ZVS和效率进行了测试. 4.1功率因数和频谱图 样机在额定电压和额定负载时,用杭州远方的 PF981 1数字功率计测得的波形如图6所示. 峰值:2.702 A (a)输入电压与电流波形图 电压频谱 总谐波:1 1%(IEC) 三次谐波:0.4% 五次谐波:0.5% 七次谐波:0.4% 九次谐波:0.3% (b)电压频谱图 电流频谱 总谐波:3.2%(IEC) 三次谐波:1.6% 五次谐波:1.1% 七次谐波:O.5% 九次谐波:O.5% (c)电流频谱图 图6功率因数和频谱波形 Fig.6 Waveform of power factor and spectral 图6(a)的波形表示了电压和电流的跟随情况.图 6(b)和图6(e)是电压和电流频谱图,横坐标表示谐波 次数,纵坐标表示各次谐波占基波的百分比.对于各 次谐波值,应当以电流谐波值(百分数)为主、以电压 谐波值为辅;特别是当电源的负载功率减轻时,其电 流谐波百分比明显增大,主要表现在奇次谐波值的敏 感性变大;而电压或电流的偶次谐波数值变化都很 小,绝大多数偶次谐波电压值为零.由图6可知,电源 稳定运行时,样机的功率因数高达0.97,谐波符合IEC 要求,电能质量水平得到了明显改善. 4.2软开关(ZVS)波形 软开关波形由Tektronix TDS2024B型示波器采 集,超前臂G1和滞后臂G4的ZVS波形如图7所示. 图7(a)和图7(b)中,通道1为开关管漏源两端的电 压波形,纵坐标250 V/格,横坐标500 ns/格;通道2为 驱动波形,纵坐标10 V/格,横坐标500 ns/格. 由图7可知,通道1所示超前臂G1开关管的驱 动脉冲信号是在开关管两端电压下降到零之后才开 第4期 付贤松,等:具有功率因数校正的全桥移相软开关电源设计 一67一 I I … 一 (a)超前桥臂G1两端电压及其驱动脉冲波形 (b)滞后桥臂G4 f两端电压及其驱动脉冲波形 图7开关管的ZVS波形 Fig.7 Waveform of zero voltage switch 始发生变化,即G1开关管实现了零电压关断;同理, 滞后臂开关管的PWM驱动脉冲开始上升时,G4开关 管DS两端电压早已下降到零,实现了零电压开通. 4.3效率和调整率测试 电压调整率表示当输入电压在规定范围内变化 时,输出电压的变化率.电流调整率是衡量开关电源 在负载电流发生变化时,输出电压保持恒定的一种能 力.表1为额定输入电压下,负载条件变化时的效率 测试结果,表2为系统线性调整率的测试结果. 表1负载调整率和效率 Tab.1 Load adjustment rate and efifciency 118.1 10.O9 10.01 85.12 710.95 10.O8 61.5 86.49 1 171.O 1O.06 101.0 86.25 1 745.9 10.04 150.8 86.36 2 270.3 10.01 195.0 85.9O 表2电压调整率和效率 Tab.2 Volatge adjustment rate and efifciency 母线电压,V输入功率/w输出电压/V输出电流/A效率/% 254 2 245 9.956 196.2 86.5 282 2 277 9.986 196.8 86.3 311 2 311 lO.Oll 198.6 86.O 339 2 319 lO.o12 198.8 85.8 370 2 327 10.023 199.0 85.7 由表1可以看出,负载变化时,输出电压基本稳 定,负载调整率小于1%,效率大于85%,符合设计要 求.同时随着负载的增加,系统的效率有所降低,原因 主要是当1/3负载后,系统已经完全实现软开关,不存 在开关损耗的问题,所以效率的损失主要是由于开关 管的导通损耗.故负载越重,电流越大,导通损耗越 大,效率越低.从表2中可以看出,当输入母线电压变 化时,输出电压几乎不变,线性调整率小于1%,满足 设计要求. 5结束语 本文将功率因数校正技术和全桥移相技术结合 在~起,设计了一款高频大功率开关电源,工作频率 高达100 kHz,输出功率高达2 kW,效率大于85%.功 率因数和谐波符合规范,全桥开关管实现了软开关, 减小了开关损耗,提高了效率.然而对于电源的应用 和推广来说,研制成本至关重要,所以为了实现成本 和性能的最优化,有必要进一步优化主电路参数. 参考文献: [1]姚洪平,邢玉秀,郭洋.直流开关电源的软开关技术及发展 研究fJ].数字技术与应用,2014(2):90—97. 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