仪器仪表用户
文章编号:
1671 1041( 2009) 03 0103 02
!
经验交流
!
一个
500
单相
APFC主电路的设计
W
½德明
(山东万杰医学院
医学½像系, 淄博
255213)
摘要: 功率因数校正技术是抑制 谐波电流、 高功率因 数的行 之有效
提
的方法, 近年来受到了越来 越多的关 注。本文选 择
B oost变换
器为主
电路拓扑, 采用
UC3854
控制器, 设计一容量 为
500
的单 相有源功率
W
因数校正电路, 给出了主电路具½电路参数的计算。
关键词: 功率因数校正; 变换器; 滤波器
中图分类号:
TM
92
文献标识码:
B
The design of a
500W
sin gle phase active
pow er factor correction circu it
Q I De m ing
(M edica l I ag ina tion depart ent W anjie
m
m .
M edical Co llege Z ibo
255213,
China)
,
Abstrac : P ow er fac tor correct i n technology i an ef fec tive m ethod
t
o
s
of res training har
monic currents and increas ing power fac tor w hich
,
has been attended more and more i recent years Boost converter
n
.
and UC3854 are used i des i ning a
500W
AP FC c ircui.t
n
g
K ey w or : PFC converter f ilter
ds
;
;
之差就½成了差模电感。
差模电感与
C
1
、
2
构成差模噪声滤波
C
器, 滤除差模噪 声。
1
、
2
电 感量通常为 几十毫亨, 差模 电感一
L L
般为
L
1
或
L
2
的
1. 5%
~
2
(
与结构及绕制工艺有关
)。
%
通常,
C
1
和
C
2
选用陶瓷电容或聚乙烯薄膜电容器, 电容量一般选
0.
01 F ~ 0. 47 F;
C
3
和
C
4
选用陶瓷电容, 电容量一般选
2200PF
~ 0. 1 F。
1
~ C
4
的耐压值均为
630V DC或 250V AC。
C
2. 2 B oost电感的
设计
电感器由 绕组和磁芯 组成, 起着½量 的传递、
储存 和滤波
等½用, 决定了输入电流中高 频纹波 的大小。 感器的 设计对
电
发挥电路的特性、
效率和½用, 以 及½否 得到满 意的校 正效果
是至关重要的。
2. 2 1
电感值 的计算
.
电感电流的最大峰值出现在 交流输入电压最½且满½½时:
2P
0
2* 500
=
=
4 25
*
U
in( m in)
0 95* 175
允许电感电流有
20
的波动, 则
%
I =
0 2
I
PK
=
0 2* 4 25
=
0 85A
*
电感电流出现最大峰值时的 占空比为
U - U
in ( peak)
400
-
2* 176
D =
0
=
=
0 38
U
0
400
升压电感值为:
U
in
*
D
2* 175* 0 38
L =
=
=
1 1mH
f
s
*
I
100 10
3
* 0 85
*
2. 2 2
磁芯材 料的选择
.
磁粉芯
B
s
比较高,
H
s
19900A /m,
最 大可达
63680A /m。
此类磁芯不必开气隙, 不易饱和, 设计计算 也简便。
另外磁粉芯
基本上½是环½的, 绕制比较困难, ½由于 磁路是封闭的, 无漏
磁, 不会产生电磁干扰, 符合电磁兼容要求 。
铁粉芯在磁粉芯中价格最½
,
其
B
s
为
1. 4T
左右, 相对磁导
率为
10
~
100。
因此本设计中采用 环½铁粉 芯½为 电感磁 芯,
其外½如图
2所示。
在设计时, 首先要注意损耗与温升的问 题。
通过对不同材料型号铁粉 芯的用途、
性½的对 比, 本设 计选用
8#
材 料 的铁 粉 芯 ½ 为 升 压 电 感 磁 芯, 磁 芯 各 项 参 数 如 下:
B
m
=
1. 25T,
B
r
=
0. 46T,
H
m
=
500O e
H
c
=
9. 2O e
,
。
I
PK
=
0
引言
本文拟 设计 一单 相有 源功 率 因数 校正 电 路, 其 技术 指 标
如下:
1)
额定输出功率
P
0
:
500W
2)
交流输入电压范围
U
in
:
176
~
264V
3)
电½频率范围
f:
50H z 1H z
4)
输出直流电压
U
0
:
400V
5)
开关频率
f
s
:
100kH z
6)
效率
:
95%
1 APFC主电路结构
Boost变换
器因其具有特殊优 点, 在有源 功率 因数校 正中
应用最多。
所以, 考虑到电路的实用 性, 本设 计采用
Boo st变换
器½为
PFC的主电路拓扑。
整个
APFC
主电路的结构如图
1所
示, 由
EM I滤波器和 Boost变换器
组成。
图
1 APFC主电路结构图
图
2
环½磁芯外½图
2
2. 1
电路参数的设计
滤波器的设计
本设计中采用
EM I滤波器,
基本结构如图
1所示
,
它由
L
1
、
L
2
、
1
、
2
、
3
、
4
组成。
C C C C
其中
, L
1
, L
2
表示绕在同一铁心上的共模
电感, 两者匝数相等, 绕向相同
; C
l
~ C
4
为滤波电容,
L
1
与
C
3
、
L
2
与
C
4
分别构成共模噪声滤波器, 滤除 电源线上的共模噪声。
由于电感器的绕制工 艺不可½保证
L
1
、
2
完全 相等, 所以两者
L
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2. 2 3
采用
AP法确定磁芯规格
.
1)
电感可储½量
2
1
2
L
I
1 1* 10
-
3
E
L
=
L I
LPK
=
*
I
PK
+
=
* 4 675
2
=
2
2
(
2
)
2
12 021 10
-
3
W
*
2)
计算面积积
A P
值
2E
L
* 10
4 1- x
AP =
(
B
W
K
0
K
j
)
E IC
Vo.l 16
2009
No 3 103
.
1
!
经验交流
!
式中,
B
w
∀ ∀ ∀
工½磁感应强度, 这 里取
B
W
=
1
*
( B
m
-
2
C
0
=
2P
0
*
t
U - U
2 in)
0(m
2
0
仪器仪表用户
B
r
) =
0 602T
K
0
∀ ∀ ∀
窗口有效½用系数, 环½磁芯 取
0. 3;
K
f
∀ ∀ ∀
电流密度系数, 按允许温升
50#
,
取
590
;
X
∀ ∀ ∀
常数, 这里
X = -
0. 12
。
所以
2E
L
* 10
4 1- x
AP =
(
B
W
K
0
K
j
)
2* 12 021* 10
1- 0 12
=
=
2 54cm
4
(
0 602* 0 3* 590
)
3)
选择最接近计算
AP值的
铁粉芯型号为
T 141- 8
/90,
该
型 号 有 关 参 数 为:
A
L
=
65. 0nH /N
2
, OD =
35 9mm,
ID =
.
22 4mm,
H t =
10. 5mm,
l
m
=
9. 14cm,
A
e
=
0 674cm
2
。
.
4
计算其窗口面积 积为
2. 6561cm
>
2. 54c
4
。
m
4)
计算电流密度
J = K
i
AP
x
=
590* 2 6561
-
0 12
=
524 74A /cm
2
5)
计算裸线面积
I
I
PK
+
4 675
2
=
=
0 0089c
2
m
A
c
=
J
524 74
查
AW G
导线规格表, 最接近线号为
AW G# 17,
裸线截面积
10. 39
∃
10
-
3
c
2
。
m
6)
计算绕组匝数
L
1 1
=
=
130 09匝
A
L
65 10
-
6
*
取整
130匝。
2. 3
电容的计算
选择 输出电 容时 要考虑 开关 频率 纹波电 流、 次谐 波电
二
流、
直流输出电压、
输出 电压纹波、
维持 时间。
流过输 出电容器
的总电流是开关频率纹波 电流的 有效值 和线路 电流的 二次谐
波; 通常选择长寿½、 漏阻、
½
½耐较大 纹波电流, 且 工½范围
较½的铝电解电容, 并且耐压 的选择 应留有 充分的½ 量, 以避
免超负荷工½。
对输出电容的计算有以下两种方法。
2. 3 1
按输出电压的纹波要求计算
.
由于输出电流
i
0
的交流分量流过输出电容
C
0
,
在
C
0
两端
产生脉动电压, 其脉动量与
C
0
的大小有 关。
一般输出电压纹波
要求为
!
v
%
2%
,
设输出电压脉动量为
u
0
,
则
I
0
1
t
u
0
=
i
C
dt =
s in2∀
t
C
0
2∀C
0
记
u
0
的峰一峰值为
u
0(p
- p )
,
则
I
0
u
0(
p- p )
=
∀C
0
u
0(p-
p )
I
0
=
%
!
V
U
0
∀C
0
U
0
所以
I
0
C
0
∀!
V
U
0
根据本电路给出的技术指标, 为½输出电容足够大, 式中
U
0
N =
1
1
一般取
∋
t为交流输入
周期的
40%
,
即
t=
1
* 40%
=
50
0 008s;
取最小输出电压
U
0( m in)
=
373V
时, 得
2 500 8* 10
-
3
*
*
C
0
=
=
326 F
2
400
-
373
2
本设计 中以 满足 输出电 压的 纹波要 求为 准则, 采用 第一
种计算方法。
查手 册表, 取
330 F /450V
的电容, 两个并 联, 则
C
0
值为
660 F。
2. 4
功率级元件参数的选择
2. 4 1
输入二极管整流桥
.
整流桥承受的最大反向电压为,
2U
in( m in )
=
373V
最大输入
,
P
0
500
电流有效值为
I
in ( ma x)
=
=
=
3 01A;
考虑到安
U
in( m in )
0 95 175
*
全裕量, 选用的整流桥型号
KBPC606
电流电压定额为
6A /600V。
,
2. 4 2
功率开 关管
.
开关管 导通 时流 过的电 流为 电感电 流, 电 感最 大峰 值电
流为
I
=
4 25
+
0 425
=
4 675A
I
PK( m ax )
= I
PK
+
2
考虑到 输出 二极 管的反 向恢 复电流, 则通 过功 率开 关管
的峰值电流
I
QP
= I
PK( m ax )
+ I
0
=
5 93A
开关管承受的最大直流电压 为
U
DS
= U
0
+ U =
400
+
2 * 400
=
480V
%
考虑安全裕量, 开关管选用
IRF PC60LC型 M O SFET,
其电
流电压定额为
16A /600V,
导通电阻
0. 4#
。
2. 4 3
输出二 极管
.
由于电 路的 开关 频率较 高, 所 以输出 二极 管须 采用 快恢
复二极管或超快恢复二极 管。
它们的 特点是开 关特性 ½、
反向
恢复时间短、
耐压 高、
正向 电流 大、
½积 小、 装简 便。 设计
安
本
中, 输出二极管承受的 最 大直 流电 压为
480V;
输 出电 流
I
o
=
P
o
/U
o
= 1 25A;
考虑 到 安 全裕 量, 选 取定 额 为
8A /1200V
的
.
RHRP8120型快恢
复二极管。
3
结束语
&
用
MATLAB对电
路进行仿真, 功率因数可提高到
0. 99
验
,
证了设计的可行性和正确性。
!
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设
计与应用
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北京: 人民邮电出版社,
2004.
½者简介: ½德明
( 1969 ) ,
男, 副高, 硕士, 研究方向: 电力电子。
收稿日期:
2008 12 29( 8647)
取最小输出电压为
U
0(m in)
=
2U
in ( m ax)
=
1 414 264
=
373V,
则
*
I
0
500
/373
C
0
=
=
572 F
∀!
V
U
0( m in)
314* 2% * 373
2. 3 2
按维持时间计算
.
维持 时间是 指在 输入电 源被 关闭 之后, 输 出电 压仍 然保
持在规定范围内的时 间长度。
它是存储在输出电容中的½量总
和、
负½½功率、
输出电压及½½负½½工½的最小电压的½数。
∋
t
设
为维持时间, 则用维持时间确定输出电容值的计算公式为
104 E I
C
Vo.l 16
2009 No 3
.
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m.
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