通缱电．潦技术 ２０１２年５月２５日第２９卷第３期 Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｙ ２５，２０１２，Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．３ 文章编号：１００９—３６６４（２０１２）０３—００２５—０３ 罐 荽 基于ＮＣＰ １ ６５４的高功率因数电源的设计 汪定华 （中国电子科技集团第四十一研究所，安徽蚌埠２３３００６） 摘要：为了减少电力电子装置引起的谐波污染，加入ＡＰＦＣ控制策略是一种有效的方法。有源功率因数校正电路使 输入电流波形跟踪输入正弦交流电压波形，得到较高的功率因数。文章主要针对ＡＰＦＣ控制方法进行讨论，介绍了 ＮＣＰ１６５４控制电路，并设计了６００ Ｗ功率电路，实验结果证明了此校正电路的优良性能。 关键词：ＡＰＦＣ；ＮＣＰ１６５４；功率电路 中图分类号：ＴＮ８６ 文献标识码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｓｕｐｐｌｙ ｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＮＣＰ１ ６５４ ＷＡＮＧ Ｄｉｎｇ－ｈｕａ （ＣＥＴＣ ４１ｓｔ，Ｂｅｎｇｂｕ ２３３００６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｉｔ ｉＳ ａｎ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅｔｈｏｄ ｔｈａｔ ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ＡＰＦＣ）ｉＳ ａｄｄｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅ— ｃｅｉｖｅｓ ｔｏ ｒｅｄｕｃｅ ｔｈｅ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｐｏｌｌｕｔｉｏｎ ｃａｕｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅｓｅ ｄｅｃｅｉｖｅｓ．Ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｍａｋｅｓ ｉｎｐｕｔ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｔｒａｃｋ ｔｈｅ ｉｎｐｕｔ ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ＡＣ ｖｏｌｔａｇｅ ｗａｖｅｆｏｒｍ ｔｏ ｇｅｔ ａ ｈｉｇｈｅｒ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ．Ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｅｔｈｏｄ ｍａｉｎｌｙ ａｉｍｅｄ ａｔ ＡＰＦＣ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｐａｐｅｒ，ＮＣＰ１６５４ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ６００ Ｗ ｐｏｗｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ｉｓ ｃｏｍｐｌｅ— ｔｅｄ．Ｔｈｅ ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈｅ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｒｒｅｃｔ ｃｉｒｃｕｉｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ａｃｔｉｖｅ ｐｏｗｅｒ ｆａｃｔｏｒ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ；ＮＣＰ１６５４；ｐｏｗｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ ０ 引 言 术，通过一定的控制策略使电网输入端的电流波形逼 近正弦波，并使其与输人的电网电压同相位。这种方 随着电力电子技术的发展，各种整流器和带有整 法控制电路较为复杂，但可得到较高的功率因数，总谐 流器的电力电子装置在各行各业中大量应用。这种采 波畸变较小，输出电压较为稳定。 用桥式整流和大电容滤波的电路系统＿１ｊ，输入电网电 １．１ ＡＰＦＣ工作模式 流是上升和下降很陡的窄脉冲，电流波形发生严重畸 升压转换器是ＡＰＦＣ应用中最常见的拓扑，即 变，电流谐波含量较高。这些电流脉冲的峰值很高，消 Ｂｏｏｓｔ变换电路。其电路结构简单，实现成本低，输入 耗功率并且产生更多的ＲＦＩ／ＥＭＩ问题。因此研制出 侧的储能电感能减小输入电流纹波，电路输出侧有滤 谐波含量低，功率因数高，并具有较好稳压效果的 波电容可以减小输出电压纹波，对负载呈现电压源特 ＰＦＣ装置具有很重要的意义。 性。 １升压型ＡＰＦＣ工作原理 根据电感电流是否连续，ＡＰＦＣ电路分为连续导 通模式（ＣＣＭ）、不连续导电模式（ＤＣＭ）和临界导电模 为了补偿由电力电子设备带来的无功和谐波问 式（ＣＲＭ）。其中ＣＣＭ模式由于电感电流连续、纹波 题，有许多方法被提出，概括起来可分为无源补偿和有 小、电磁干扰小和开关管电流应力小等特点，适用于功 源补偿两种方案＿２］。无源补偿的基本原理是利用电容 率较大的应用场合，但其需要比较大的ＰＦＣ电感； 提供的超前无功电流补偿电网的滞后无功电流，利用 ＤＣＭ模式开关损耗较小，因为电流在下一个开关周期 电感、电容构成的各次谐波滤波器，吸收除基波频率以 到来之前降为零；ＣＲＭ模式在下一个周期开始之前电 外的谐波。无源滤波器原理简单，但是其电容器对无 感电流将衰减为零，而且频率随着线路电压和负载的 功的补偿是固定的，对负载变化的适应性差，滤波器的 变化而变化。其主要优点是电流环路是稳定的，而且 体积和质量都相当大。并且容易和系统发生谐振，使 不需要斜坡电压补偿Ｅ３Ｊ。 得滤波器过载甚至烧毁，其功率因数只能达到０．７～ １．２ ＡＰＦＣ工作原理 ０．８。有源补偿是采用功率开关器件和ＰＷＭ控制技 ＡＰＦＣ工作原理框图如图１所示，基本原理如下： 收稿日期：２０１２—０２—１５ 单相交流电经过桥式整流后得到１００ Ｈｚ／１２０ Ｈｚ的 作者简介：汪定华（１９８２一），男，硕士，中国电子科技集团第四十 单相双半波正弦电压信号，然后对全波直流电压进行 一研究所，助理工程师，主要从事电源产品的设计。 Ｂｏｏｓｔ变换。整流桥输出电压的检测信号和电压误差 ・２５。 匝缝电．凉技术 ２０１２年５月２５日第２９卷第３期 Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｙ ２５，２０１２，Ｖｏ１２９ Ｎｏ．３ ．放大器输出信号的乘积产生基准电流信号，此基准电 流信号与电感电流采样信号经电流误差放大器比较放 大后输出，然后与锯齿波比较，输出ＰＷＭ信号驱动开 关管。当开关管Ｓ导通，二极管Ｄ反向截止，输入电 压通过整流桥后加在输入电感Ｌ上，电感电流上升， 上升速度与输入电压成正比；当开关管Ｓ截止，Ｄ导 通，电感Ｌ通过二极管给电容Ｃ充电ｌ＿４ｊ。 电路采用双闭环控制方式，电流环作为内环，以乘 法器的输出作为参考，直接控制升压电感的平均电流。 电压环作为外环，可实现输出电压的稳定。通过专用芯 片控制开关管驱动脉冲，使输入电流平均值自动跟踪全 波直流电压，且保持输出电压稳定，从而实现恒压输出 和提高功率因数的目的。本文将对基于安森美 ＮＣＰ１６５４的ＰＦ℃电源的应用进行详细的分析和设计。 ２．２主电路设计 设计的主要指标参数：交流输入电压为８５～２６５ Ｖ，电网频率４７￣６３ Ｈｚ，直流输出电压为３８５ Ｖ，输出功 率６００ Ｗ，功率因数大于０．９９，变换器效率高于９０ 。 采用ＮＩｃＰ１６５４的ＰＦ℃电源应用电路如图２所示。 ２．３主要器件参数选择及计算 ２．３．１ 开关管的选择 电源最大输出电压为４００ Ｖ，开关管最大实际漏 源电流约为１２ Ａ，但实际电压和电流有尖峰脉冲，电 压和电流取值要留一定余量。为了减小开关损耗和导 电损耗，要选择低栅极电荷、输入电容小和Ｒ （ｏｎ）小 的ＭｏＳＦＥＴ管。本文选择ＳＰＰ２０Ｎ６（）Ｃ３开关管，其 最大耐压为６５０ Ｖ，最大导通电流为２（）Ａ，Ｒ ＝ ０．１９Ｑ，Ｃｊ ＝３０００ ｐＦ。 ２电路设计及参数计算 ２．１ ＮＣＰ１６５４芯片介绍 ＮＣＰ１６５４采用平均电流模式控制，电 路设计元件少，低启动电流，栅极驱动电流 达到１．５ Ａ，此芯片有三种开关频率可选 （６５／１３３／２００ ｋＨｚ），考虑到ＥＭＣ问题，本 设计选用６５ ｋＨｚ芯片。同时芯片具有软启 动，过电压保护，欠电压保护和过功率保护 等功能。 图１ ＡＰＦＣ工作原理框图 图２ ＮＣＰ１６５４应用电路 ２．３．２ 续流二极管的选择 ＰＦＣ升压电路采用Ｂｏｏｓｔ拓扑结构，因此续流二 极管的选取非常重要。因为电路中输出电容较大，续 ６０ ｎｓ。 ２．３．３输出电容计算 输出电容的设计要考虑三个因素：输出电压纹波、 电流纹波和保持时间。计算公式如下： Ｃｏ： ２ Ｐｏｔｈ （１） 流二极管应能承受电感的最大峰值电流、输出电压的 最大反向电压，并且反向恢复时间要尽量的短，时间长 则开关损耗大。本文选择ＭＵＲ１６６０，其最大正向电 流为１６ Ａ，反向耐压为６００ Ｖ，反向恢复时间最大 式中，ｔｈ为最大交流电周期（２１．３ ｍｓ），输出电压最小 通 电潦梭】Ｉ： ２０１２年５月２５日第２９卷第３期 汪定华：基于ＮＣＰ１６５４的 高功率因数电源的设计 Ｔｅｌｅｃｏｍ Ｐｏｗｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｍａｙ ２５，２０１２，Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．３ 值为３３０ Ｖ。通过计算取输出电容值为６８０ 。 ２．３．４电流检测电阻的计算 电流信号通过一个电阻（图２中Ｒ１ ，此处选择 ０．１ １２）得到一个负电压，再连接一个电流检测电阻 （图２中Ｒ ）到芯片的３脚。检测电阻计算公式如下： Ｒ 一 一６ （２） 因为实际电感电流尖峰值要比计算峰值要高，本 设计选择Ｒ７为８．７ ｋＱ。 ２．３．５ ＰＦＣ电感计算及设计 理论上，要保证电流连续，电感值越大越好，只要 保证磁芯不饱和就可以，但是电感量大，绕制电感的磁 芯体积就越大。在此保证电流满足要求的情况下设计 电感，电感线圈峰值电流计算公式如下： Ｉ 一 ￣／２Ｐｏｐｋ ‘ 一 一一 鲁 一ｌ一儿’１． １ Ａ（＾ ３） 电感线圈有效值电流计算公式如下： Ｊ一一 Ｖｏ＝＝＝ ｉ（ ｉ ） ０ ９ ．× ８５—７．８４ Ａ…… （４）… 电感计算公式如下： Ｌ一 Ｌ一万 ×［１一 入Ｌ１一— 一．］Ｊ （５） 式中：Ｊ 为最大峰峰电流值与峰值最大电流值得比例 （典型值取２５ ～４５ ，本设计取２５ ）；ｆｓ为开关频 率（６５ ｋＨｚ）； 为电源效率，取０．９。 通过计算，取电感值为３００ Ｈ。电感设计采用 ＡＰ法设计，公式如下： ＡｗＡｅ—ＡＰ一百 ＬＩ－ （６） 式中：Ｉ—ＪＤｋ ，×（１＋０．１），即电感电流有效值加 纹波电流值；Ｂ 为磁芯工作磁感应强度；Ｋ 为窗口使 用系数；Ｊ为电流密度； 在本设计中，，＝１２．２ Ａ，Ｂ ＝０．２５ Ｔ，Ｋ ＝０．７５， Ｊ＝６００ ，计算得ＡＰ＝３．９７ ｃｍ４。根据ＡＰ值选择 磁芯，本文选择ＰＱ４０４０，其Ａ ＝２．２５ ｃｍ２，Ａ。＝２．【）１ ｃｍ ，ＡＰ＝４．５２＞３．９７，满足设计要求。选择绕线为 ＡＷＧ＃１６，其直径为１．３７ ｍｍ，加绝缘外皮Ａ ＝２．０１ ｃｍ 。所需匝数计算公式如下： Ｎ—ＡｗＳ１ Ｓｚ （７） — 一Ａｘ 式中：Ａ 为磁芯窗口面积；Ｓ 为可用窗口面积／窗口 面积，此处Ｓ 取０．８；Ｓ 为ｎ匝绕线之面积／可用窗口 面积，取０．７５。通过计算得Ｎ＝９１．８，取Ｎ＝９２匝。 电感气隙计算公式为： Ｌ一 』 一———————— ——————一 ！ （８）＼ｏ／ 通过计算得ｊ ：２．３ ｍｍ。 ３测试结果与分析 图３和图４是样机在输入低压和高压情况下带满 载情况下的电压、电流波形。从图中可以看出，在低输 入电压情况下，电流波形跟踪电压波形很好，功率因数 都大于０．９９。在高输入电压情况下，电流波形跟踪电 压波形稍差一点，电流失真度变大了。 ＣＨ１：１００Ｖ／ＤＩＶ，ＣＨ２：４Ａ／ＤＩＶ，Ｍ：２ｍｓ／ＤＩＶ 图３ Ｕｌ＝８５ Ｖ，Ｕ。＝３８４．２ Ｖ，ＰＦ＝０．９９９，ＴＨＤ＝４．６％ ＣＨ１：１００Ｖ／ＤＩＶ，ＣＨ２：２Ａ／ＤＩＶ，Ｍ：２ｍｓ／ＤＩＶ 图４ Ｕｉ＝２３０Ｖ，Ｕ０＝３８４．８Ｖ。ＰＦ＝０．９９２。ＴＨＤ＝８．５％ 当电源的输入交流电压和负载电流在比较宽的范 围内变化时，电源的输出电压能够保持较高的稳定性。 利用ＮＣＰ１６５４设计的开关电源具有外围电路简单、体 积小、成本低廉、可靠性高的优点，是带ＰＦＣ开关电源 的一种比较理想的设计方案。 参考文献： ［１］陈福，王武，蔡逢煌．基于双Ｂｏｏｓｔ拓扑结构的ＰＦＣ 策略研究ＥＪ］．通信电源技术，２０１１，２８（３）：１８—２０． ［２－１王兆安，杨军，刘进军．谐波抑制和无功功率补偿ＥＭ］． 北京：机械工业出版社，１９９８． ［３］ ＯＮ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ．Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ（ＰＦＣ） Ｈａｎｄｂｏｏｋ［Ｚ］．２００９． ［４３ Ａｂｒａｈａｍ Ｉ．Ｐｒｅｓｓｍａｎ，Ｋｅｉｔｈ Ｂｏｌｌｉｎｇｓ，Ｔａｙｌｏｒ Ｍｏｒｅｙ著， 王志强，肖文勋，虞龙，等译．开关电源设计（第三版） ［Ｍ］．北京：电子工业出版社，２０１０．