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基于L6561的电流准连接形式APFC电源计划

  近20年以来,国内高频开关电源在个人计算机、电视机等设备上得到了广泛应用。由于开关电源的重量、体积及能耗等方面都比线性电源显著减少,而且对整机多项指标有良好影响,因此它的应用得到了推广。随着对大量使用开关功率变换器而带来谐波危害认识的日益深入,对开关电源的要求也在不断的提高,要求其效率高、功率因数高、功率密度高、可靠性高等。针对上述问题,AC/DC开关电源的功率因数校正(PFC)问题正成为功率电子学领域的研究热点之一。因此,传统的开关电源上加上PFC功能,是以后开关电源发展的趋势和要求。

  APFC电源既要保持输出电压恒定,又要控制输入电流为正弦波,以获得高的功率因数,为了能方便地控制输入电流,APFC电源常采用boost电路。

  L6561为一电流准连续模式(TM模式)的APFC控制芯片,即电感电流处于连续模式与断续模式的临界点。其工作原理如下:首先控制芯片生成一电感电流的参考信号,每一开关周期开始时MOS管导通,电感电流线性增加,然后将电感电流的检测信号与参考信号相比,当电感电流检测值等于电感电流参考值时,MOS管关断,电感电流减少,当电感电流降为零时,MOS管再导通,如此周而复始。电感电流的参考信号由系统输出电压检测值与给定值相减,再经由PI调节器,然后将PI调节器的输出与整流桥后端的boost电路输入电压波形相乘得到。由于电感电流参考信号由电压反馈环决定,故为保持系统稳定且获得高的功率因数,电压反馈环的带宽不宜太宽。图1 给出了一个线周期内电感电流与电感电流参考信号的仿真波形图。

  电感电流实际为三角波,其包络为电感电流参考信号,由于电感电流参考信号为电压误差放大器的输出与整流后的boost电路输入电压波形的乘积,且当系统稳定工作时,误差放大器的输出基本恒定,故电感电流的包络基本为正弦波。

  ,即电感电流的平均值为正弦波。由于并连于整流桥后端的滤波电路将电感电流的高频部分滤掉,故系统的输入电流为正弦波,且相位与电源电压一致,系统功率因数接近1。

  采用Matlab对系统进行数字仿线VDC、boost电感500mL、输出电容 、负载 系统稳定工作时电感电流及其参考信号的仿真波形。由图可知,当系统稳定工作时电感电流的包络基本为正弦波,与上述分析相一致。

  L6561是ST公司生产的有源功率因数校正专用芯片。能方便的构成宽电压输入(AC85V265V),低谐波含量的APFC电源;能直接驱动MOS管,且集成了各种保护功能;由于集成度很高,它大大减少了构成系统所需的元器件,降低了损耗,提高了效率。图3给出了L6561的内部原理图。8号引脚为芯片的电源输入端,芯片的正常工作电压范围为11V18V,芯片内部有一20V的稳压管并连于该引脚与地之间,为防止芯片供电电压过高而将芯片内部稳压管击穿,可在该引脚与外部供电电源间串接一限流电阻;7号引脚为芯片的驱动信号输出引脚,该引脚内部采用了图腾柱结构,具有最大400mA的驱动能力,能直接驱动MOS管;6号引脚为芯片的参考地,该引脚应和主电路的地连在一起;5号引脚为芯片的过零检测引脚,用于确定何时导通MOS管。该引脚检测电感电流过零时产生的电压振荡,有效触发信号为一下降沿;4号引脚为MOS管电流采样引脚,芯片将该引脚检测到的信号与芯片内部产生的电感电流参考信号相比较,用以确定何时关断MOS管;3号引脚为芯片内部乘法器的一个输入端,该引脚与boost电路输入电压相连,确定输入电压的波形与相位,用以生成芯片内部的电感电流参考信号;2号引脚为内部乘法器的另一个输入端,同时为电压误差放大器的输出端,当系统稳定工作时,该点的电压应恒定;1号引脚为系统反馈电压的输入端,该引脚与内部运算放大器的负相输入端相连,同时通过一电阻分压网络与输出电压相连,从而构成负反馈;1号引脚和2号引脚之间应接一补偿网络,该网络一方面构成电压环的PI调节器,另一方面用以补偿系统的动静态性能。

  图4给出了由L6561构成的APFC电源的实际电路图。图中输入交流电经整流桥整流后变换为直流电,作为boost电路的输入;电容C1用以滤除电感电流中的高频部分,降低输入电流的谐波含量;电阻R9和R10构成电阻分压网络,用以确定输入电压的波形与相位,电容C7与电阻R9构成一RC滤波器,用以 除去3号引脚的高频干扰信号;boost电感有一副边绕组,该绕组一方面通过电阻R1将电感电流过零信号传递到芯片的5号引脚,另一方面作为芯片正常工作时的电源;芯片驱动信号通过电阻R5连到MOS管的门极,R5用以防止MOS管的驱动信号振荡;电阻R6作为电感电流检测电阻,用以采样电感电流的上升沿(MOS管电流),该电阻一端接于系统地,另一端同时接在MOS管的源极和芯片的4号引脚;电阻R7和R8构成电阻分压网络,形成输出电压的负反馈回路;电容C3连接于芯片1、2号引脚之间,用于形成电压环的补偿网络;电阻R2,R3,电容C2,C6,二极管D3,稳压管D2和boost电感的副边共同构成了芯片电源,其中,电阻R3连接于电容C1和芯片8号引脚之间,在系统通电时提供芯片的启动电压。

  以下以L6561芯片为基础,详细介绍APFC电源的设计过程。系统设计基于以下参数:①输入电压:85VAC265VAC;②最大输出功率:250W;③输出电压:直流400V3%。

  2) 整流桥:整流桥的设计由两个参数决定,一是系统的最大输入电流,一是系统最大输入电。

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