基于UC3854的BOOST电路PFC变换器的设计.docx
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基于UC3854的BOOST电路PFC变换器的设计
基于UC3854的BOOST电路PFC变换器的设计
基于UC3854的BOOST电路PFC变换器的设计
1.设计指标
输入电压:
200VAC~250VAC
输入频率:
50Hz
输出直流电压:
400V
输出功率:
500W
功率因数:
>98%
输入电流THD:
<5%
2.开关频率
综合考虑效率和变换器体积,选取开关频率为100KHz。
原理图
3.电感
电感值大小决定了输入端高频纹波电流总量,可以根据计算出的电流纹波总量ΔI来选择电感值。
电感值的确定从输入正弦电流的峰值开始,而最大的峰值电流出现在最小电网电压的峰值处:
由上式可知,此时的最大峰值电流为3.54A。
通常选择电感中的峰-峰值纹波电流为最大峰值电流的20%左右,故有ΔI=707mA。
电感值根据最低输入电压时半个正弦波顶部的峰点的电流来选择,此时
根据此处电压和开关频率的占空比来选择:
由上式可得L=1.17mH,取L=1.2mH。
4.输出电容
涉及输出电容的选择因数有开关频率纹波电流、2次纹波电流、直流输出电压、输出纹波电压和维持时间等。
在本例中,电容的选择主要考虑维持时间。
维持时间是在电源关闭以后,输出电压任然能保持在规定范围内的时间长度,去典型值为15~50ms。
可根据以下公式确定(能量守恒):
式中,取Δt=64ms,Vo(min)=300V。
,可得Co=914uF,可以选取915uF的电解电容。
5.电感电流检测
采用在变换器到地之间使用一检测电阻。
一般选择压降为1V左右的检测电阻,此处选择0.25Ω的电阻作为RS,在最坏的情况下(峰值电流达到原值1.25倍),4.4A的峰值电流将会产生最大1.1V的压降。
6.峰值电流限制
UC3854的峰值限制功能,在电感电流的瞬时值电流超过最大值,即2管脚低于低电平时被激活,将开关断开。
电流限制值有基准电压初一电流检测电阻的分压来设置:
式中,RPK1和RPK2是分压电阻;VREF值为7.5V;VRS是检测电阻RS上的电压值。
通过RPK2的电流大约为1mA,由上可知峰值电流限制在4.4A,RPK1取10kΩ,RPK2取1.5kΩ。
7.前馈电压信号
VFF是输入到平方器电路的电压,UC3854平方器电路通常在1.4V~4.5V的范围内工作。
UC3854内有一个钳位电路,即使输入超过该值,都将前馈电压的有效值限制在4.5
前馈输入电压分压器有3个电阻RFF1、RFF2、RFF3,及两个电容CFF1、CFF2。
因此它能进行两级滤波并提供分压输出。
分压器和电容形成一个二阶低通滤波器,所以其直流输出是和正弦半波的平均值成正比。
前馈电压VFF分压器有两个直流条件需要满足。
在高输入电网电压下,前馈电压应不高于4.5V,当达到或超过此值时,前馈电压被钳制而失去前馈功能。
在低输入电网电压时,应设置分压器使前馈电压等于1.414V,如果不到1.414V内部限流器将使乘法器输出保持恒定。
选取分压电阻RFF1为900kΩ,RFF2为92.14kΩ,RFF3为7.86kΩ。
当输入电压为AC250V的时候,直流电压平均值为225V,此时VFF为1.77V;当输入电压为AC200V的时候,直流电压平均值为160V,此时VFF为1.41V。
8.乘法器的设置
乘法器、除法器是功率因素校正器的核心。
乘法器的输出调节电流环用以控制输入电流功率因素提高。
因此此乘法器的输出是个表达输入电流的信号。
与多数从输出开始到输入的设计任务不同,乘法器电路的设计必须从输入端开始。
乘法器有三个输入端:
调节电流端IAC(脚6)、来自输入的前馈电压端VFF(脚8)、电压误差放大输出端VVEA(脚7),乘法器的输出是电流信号Imo(脚5):
式中,Km=1是常数。
9.乘法器输入电流
乘法器的输入电流来自经RVAC的输入电压,乘法器在较高电流下有较好的线性度,但推荐的最大电流是0.6mA。
在高网电压时,电网电压峰值是354V,脚6上的电压是6V,用580kΩ的电阻值得到的最大的值是0.6mA,因引脚6上的电压是6V,为使电路正常工作在输入波形VIN=0处,需要一个偏置电流。
在基准电压VREF和脚6之间接一个电阻Rb1,IAC就能提供最小偏置电流。
,Rb1其值取为150kΩ。
10.乘法器输出电流
乘法器的最大输出电流Imo出现在低电网线路输入正弦波的峰值处。
0.49mA
此时,VVEA为5V,VFF2为2。
由上可得,Imo的最大值为1.38mA。
电流ISET是乘法器输出电流的另一个限制点。
不能大于3.75/RSET,可得最大值RSET=2.715kΩ,因此可选2.7kΩ。
为了形成电流环的反馈回路,乘法器的输出电流Imo必须与一个正比与电感电流的电流相加,形成负反馈。
接在乘法器输出和电流检测电阻的电阻Rmo执行这一功能,它使乘法器的输出端成为电感电流和基准电流的求和结点。
由上式可得Rmo=3.84kΩ,可选3.9kΩ。
11.振荡器频率
振荡器的频率由电容CT和电阻RSET来设定,RSET已知为10kΩ。
开关频率fs要设定为100KHZ,电容即由下式决定:
所以CT为4.6nF.
12.电流误差放大器的补偿
(1)计算电感电流下降时在检测电阻两端所造成的压降,再除以开关频率:
此电压必须等于Vs的峰峰值,即定时电容器上的电压5.2V,误差放大器的增益为:
。
(2)反馈电阻,设Rci=Rmo=0.8kΩ,Rcz=GcaRci=5kΩ
(3)电流环穿越频率:
(4)选Ccz,选择45°相位范围,在环路穿越频率处设置零点。
(5)选择Ccp,集电必须在fs/2上,
13.电压误差放大器的补偿
THD为5%,选3%的3次谐波交流输入作为规范值。
1.5%分配做Vff输入,0.75%到输出纹波电压,或1.5%到Vvac。
留下0.75%分配到各种非线性器件。
(1)输出纹波电压:
输出纹波电压由下式决定,式中fr是2次谐波的频率:
(2)放大器增益的设置:
Vopk必须减少到电压误差放大器输出所允许的纹波电压,这就是要设置误差放大器在2次谐波频率点上的增益,公式如下:
(3)反馈网络的数值:
取Rvi为511kΩ
(4)设置分压电阻:
(5)极点频率
升压级增益为:
在放大器的响应的极点上,误差放大器增益由下式给出:
总得电压环增益为:
为求出截止频率,设Gv=1,求解fvi,Xco安排在1/(2πfCo),Xcf安排在1/(2πfCf),方程变为:
,取100K。
14.前馈电压滤波电容
这些电容确定了交流输入电流上Vff分配的3次谐波失真,并确定所需衰减的总量。
整流后的电网电压2次谐波含量是66.2%。
THD是允许的总谐波失真百分比。
用两个等式连解极点,求出极点频率,fr是2次谐波的纹波频率。
选择Cff1和Cff2:
取0.1uF
取1.3uF
15.仿真及波形分析
saber仿真图
输入电压及电流波形
电感电流及全波整流电压波形
输出电压波形
输入电流波形及频谱分析
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- 基于 UC3854 BOOST 电路 PFC 变换器 设计
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