琪露诺のAPFC教室
金坷居士2013/12/12电气电工 IP:广东
本帖最后由 金坷居士 于 2013-12-13 22:48 编辑

作者日: 此帖乃原创 绝非翻译(窝有的地方语法有点像英语了>_<)

好久没来撸帖纸咯 这次给民那带来1只叫做主动功率因数校正系统的家伙 (自行脑补 APFC娘

APFC的功能最主要的让整流部分的功率因数接近1 降低线路谐波电流 降低线路波形失真 保护电网环境
由于APFC在95%以上采用Boost 输出电压比输入电压的峰值高 一般产品为380-410V 个别产品可达 430V甚至450V
输入电压可以是85-265V 世界上任何市电 110V 220V输入都可以 就算咱们国家农村电网低电压情况比如160V也一样可以稳定工作
由于Boost在输入电压越低时占空比越大 开关管的电流有效值也越大 所以 大压差的boost的效率不是很理想 因此出现了输出电压追随技术为了缩小输入和输出的电压差(Follower Boost Mode)来提高效率 不过窝今日不和民那讨论介个

Boost的APFC 可以分为BCM工作(有时候叫DCM)和CCM工作 和常规的Boost变换器类似
BCM的整流管没有反向恢复问题 因为电感电流会过0 0电流关断啊 但是电感和MOS还有二极管的峰值电流大 同功率下有效电流比CCM的大 因此通常用于中小功率场合
BCM为了维持临介状态需要变频驱动 另外需要0电流点检测 功率电感上会有个零电压检测绕组
CCM中的电感电流波动不大 因此需要比DCM和BCM都大的电感量 但是通过电感和mos的峰值电流不大 同功率下有效电流相对小 因此导通损耗最小 但是整流二极管如果速度慢(恢复时间过长)会导致额外的损耗(需要考虑的哦) 频率高时甚至需要采用昂贵的高速碳化硅二极管 尽管如此Kw级别的APFC都采用了CCM模式工作
此外 还有交错的PFC 两路同时分担功率 提高效率
由于工频整流桥在大功率时会损耗1%-3%的效率 高科技的无桥PFC也在研究之中

一种比较奇特的APFC是单级APFC 他采用反激结构 能实现功率因数校正的同时达到隔离降压的目的 比先APFC升压再降压的方案节约成本 不过 效率一般 EMI不容易控制 而且仅限于小功率场合 目前在LED驱动 电池充电领域已经开始应用 不过窝们暂时不讨论

常见单相APFC控制芯片:
BCM:L6562
交错BCM:UCC28060
CCM:UC3854(元老级别) L4981(同样元老级别 外部元件略多) NCP1653 NCP1654 UCC28019
交错CCM:UCC28070
单级PFC:NCP1651

上面讨论的都是单相的APFC 对于三相的APFC情况则要复杂的多 因为三相电的接法有星形和Y型
Y型更类似于单相APFC 大功率产品通常采用星形 即三相三线制 没有中线 因此控制策略比较复杂
目前各半导体公司没有推出针对三相APFC的专用芯片 因此这一领域目前是DSP和高性能单片机的天下
三相APFC电压高 功率大 控制策略复杂 算法难度大 对可靠性要求高
种种技术难关对工程师们提出了严峻的挑战 因此 目前三相APFC属于绝对的先进开关电源

唉唉 貌似说远了 其实APFC离大家也不遥远
下面将展示下窝进行的1500W全范围输入的APFC实验
输入电压: 85-265VAC
输入频率:50/60Hz
理想输出电压: 400V
最大输出功率:1500W

为了简单起见 本实验采用元件比较少的NCP1654BD2R2G控制器
这是一颗SOP8封装的芯片 有8跳腿
它带有输出稳压 输入过压欠压保护 输出过压欠压保护 逐周期电感峰值电流保护(电流模式) 热保护
更重要的是 它内置1.5A图腾柱输出 无需采用外部图腾即可驱动功率管 可以进一步节约成本
NCP1654家族有65K 133K和200K三种开关频率可选 本次因为功率大 选用65K的 较低频率可以降低mos和二极管的开关损耗

233.jpg

电路图来了
APFC.png
电路分为EMI滤波器 辅助电源 APFC控制器和功率电路4个部分 重点APFC控制器 当然其他的也不能爆bug

辅助电源: 一路隔离 一路不隔离 不隔理的给APFC控制器供电 隔离的给后级控制器和风扇供电 反馈在隔离绕组上 因此隔离绕组要有一定负载才能确保不隔理绕组电压的稳定 1个普通风扇足够 为了让两个绕组电压一致 必须耦合好 采用三层绝缘线并绕 同时不降低绝缘性

APFC控制器:参数用ON的计算表计算 自己再用PDF里公式核算 结果基本一致 相信ON的准确性>_<
图上的TC4422实际没装 因为感觉NCP1654的1.5A驱动能力驱动3个2400pF的mos应该可以了

好了 说重点 布线!这个可能被很多同学忽视 不过 这里非常重要!
PCB.png
看着不错啊 有模有样的 很可惜 它只能被当作艺术品
主要原因是 控制芯片靠大di dt区域太大啦 带负载之后被干扰没话说

于是 窝根据ON的NCP1654演示板子布线和UC28019的推荐布线 设计了本板
PCB.png
这个板子采用了单面板 体积大了些 为了方便制作和调试 也为了检验布线规则

下面重点说明一下mos的匀流和地线的艺术
GND.png
mos的匀流非常的重要 在110V电网情况下 mos的电流比较大 如果电流不平均则可能会炸单个mos
从布线做起 图上的红色三角代表了mos开启时的电流强度 越高电流越大 这样布线 过每个mos的电流的路径一样长 就是这样
syt.png
在之前的12V100A实验中窝吃过这样的亏 所以 这次长记性了

逻辑地和功率地的接法也很有讲究:
XXXXS驱动地线尽量不要和大电流线路太多重合
2.逻辑地和功率地要接于一点 避免功率地噪声的影响
3.芯片周边元件的地汇聚在控制器GND脚  如下图:
QQ图片20131213223508.jpg

顺便说下 电感的菊花那个方向干扰最大 一定不能直接对着控制电路 就算有5-6cm也不行

于是呢 做出来是这个样子 山寨感十足啊
IMG_2700.jpg
只装1个TO220的mos
下面是输入234V带1800W的场景 已经超载 因此进入电压跟踪模式 设定400V 现在只有383V
QQ图片20131211222002.jpg
工作近1分钟 散热器温热 二极管轻微热 整流桥比较热
负载功率 电压
0W    403V
500W 409-411V
1200W 402-403V
1500W 398-400V
1800W 383V

不过100V输入遇到麻烦了 带500W负载 同样散热器管子很快发热 调压器发出巨大声音 还在积极解决中 请各位期待
c01399025aafa40f6d100549ab64034f7af019b7.jpg

连载中....
+50  科创币    yanli12321    2013/12/13 高质量发帖
+100  科创币    拔刀斋    2013/12/13 祝贺~
+88  科创币    20!Dopaminor    2013/12/13 翻译了好久
来自:电气工程 / 电气电工
18
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~~空空如也
最高主机泡泡
10年5个月前 IP:未同步
657561
惊现。。。
额,某小翠大神回国了?有空发帖子了~
UC3854.。。看见这个芯片一股亲切感。。。实在是太元老了吧。前些天买的一个通信电源(想改可调来着),3KW的电源,96年生产,PFC芯片就是3854.。。。
貌似3854这个芯片现在还在用吧,那阵看通信电源和一些大功率的开关电源几乎是清一色3854.。。。贴片3854,直插3854.。。
其他的芯片似乎实在少。。。还是我没注意。。
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hanbreen
10年5个月前 IP:未同步
657576
怎么和我一样也用1654,我做的1200W和1500W的电源也是用的这个。目前正在做3000W的,用UCC28070,两相交错的。
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yanli12321
10年5个月前 IP:未同步
657594
表示正在撸CPLD万能开关电源驱动..............将来试试做三相APFC秒杀你[s:12]
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金坷居士作者
10年5个月前 IP:未同步
657645
yanli12321 发表于 2013-12-13 12:54
表示正在撸CPLD万能开关电源驱动..............将来试试做三相APFC秒杀你


加油啊 三相APFC难的是算法 窝之前也看过 不是特别明白
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金坷居士作者
10年5个月前 IP:未同步
657646
hanbreen 发表于 2013-12-13 08:54
怎么和我一样也用1654,我做的1200W和1500W的电源也是用的这个。目前正在做3000W的,用UCC28070,两相交错 ...


现在遇到1个小问题 200V-260V输入 输出1500W满功率 1个TO220管子没任何问题 基本没散热片也能工作1分钟左右
但是 100V输入的时候 1个管子 相同的散热 500W负载 15秒热的不能摸 是不是窝的要求太高了...
还有 NCP1654的电流反馈2脚 对地有没有必要加一个电容 比如1000p或者470p呢
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1038733481
10年5个月前 IP:未同步
657713
本帖最后由 1038733481 于 2013-12-14 01:51 编辑

通过你的这个电源我了解了不少东西 在好多地方我和你还有不同看法 QQ图片20131214014935.gif
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hanbreen
10年5个月前 IP:未同步
657731
金坷居士 发表于 2013-12-13 19:25
现在遇到1个小问题 200V-260V输入 输出1500W满功率 1个TO220管子没任何问题 基本没散热片也能工作1分钟左 ...


问题比较多:
1,要加驱动,因为频率高,直接驱动比较弱。
2,二极管一个可能不够(多大的?),我用两个RHRP3060,余量比较大,用两个15A的比较合适,你可以换一个RHRP3060试试,尽量选恢复电荷小的超快恢复二极管。我的在90V以下都能正常工作。
3,三个管子并联太多,我用的两个SPW35N60C3。并联越少越好。
4,电压反馈对地的电容要大一点,我用102,太小容易受到干扰。
5,电感有没有仔细计算?饱和后会出现你说的那种声音。我用的两个电感,用的外径33,内径20,高10的导磁率60的磁环,1mm线绕大概90圈约530uH,一个管子配一个,漏极不连在一起的接法。
6,电流反馈不用接电容。
以上供参考。
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金坷居士作者
10年5个月前 IP:未同步
657736
hanbreen 发表于 2013-12-14 09:15
问题比较多:
1,要加驱动,因为频率高,直接驱动比较弱。
2,二极管一个可能不够(多大的?),我用 ...


1. 100V500W实验时只有1个0.19欧内阻的TO220小mos 所以可能是窝要求太高了... 65KHz 1.5A 理论驱动3个2200pF的管子问题应该不大的 如果换47N60BC3  那么外部驱动就是必须的了
2.二极管用TO220 的RHRP3060 应该可以
3.并联属于无奈...而且匀流能做好 窝有自信
4.这个窝持保守态度 不过准备尝试一下
5.电感按15%的波动设计的 窝的是外47.3 内23.8 厚18.6 导磁率90的铁铝硅磁环 绕完390uH 有小半斤重 窝换两个磁环并绕看看 另外乃那个窝叫伪交错(淫笑)
6.明白!
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hanbreen
10年5个月前 IP:未同步
657751
本帖最后由 hanbreen 于 2013-12-14 11:08 编辑

金坷居士 发表于 2013-12-14 09:49
1. 100V500W实验时只有1个0.19欧内阻的TO220小mos 所以可能是窝要求太高了... 65KHz 1.5A 理论驱动3个220 ...


硬开关驱动强一点好一些。并联均流不是那么容易的,管子的S极要尽量靠近电解电容的负极,如果多电容并联,所有电容负极和S极也要尽量靠近,我吃过这个亏的。电压反馈端对地的电容也建议你加大,甚至要大于102,过小很可能就有声音。你的电感可能圈数不够,换细点的线多绕几圈。我的做法并不是什么交错,但是那样均流很好,因为相当于每个管子加了均流电阻。
   另外,低压输入发热可能是正常的,低压输入时损耗大很多。我1500W很大散热片而且风冷。100V输入时差不多有5%的损耗。但是有声音就不正常。我做的时候有声音PF值就会很低。
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leemin
10年5个月前 IP:未同步
657755
楼主的功率因数多少??暑假时候也用3854撸过一发,用单层PCB布就可以了,不过只是40V10A的。。
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兰若,公主魂
10年5个月前 IP:未同步
657767
好资料,小翠儿妹纸辛苦了,收下了,怎么一回国[s:12]满嘴的鸟语
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金坷居士作者
10年5个月前 IP:未同步
657909
leemin 发表于 2013-12-14 11:44
楼主的功率因数多少??暑假时候也用3854撸过一发,用单层PCB布就可以了,不过只是40V10A的。。


功率因数目前没有测量
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金坷居士作者
10年5个月前 IP:未同步
657910
本帖最后由 金坷居士 于 2013-12-14 23:37 编辑

hanbreen 发表于 2013-12-14 10:52
硬开关驱动强一点好一些。并联均流不是那么容易的,管子的S极要尽量靠近电解电容的负极,如果多电容并 ...


今天换了个150多uH的电感(30%波动电流) 一样的磁环 反而感觉更好了 因为声音小很多 调压器没有任何声音了
乃两个电感 相当于并联 应该是相当于265uH 窝回来试试俩次换并绕个250uH的电感看看

换好之后 1200W负载测效率接近97 高的离谱 输入234
150-265输入测试过  没任何问题 但是低于这个范围就不太稳定了
下面考虑换IR4427辅助推动两个大的mos管 47N60

QQ图片20131214231532.jpg
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hanbreen
10年5个月前 IP:未同步
658048
本帖最后由 hanbreen 于 2013-12-15 17:54 编辑

高压输入效率当然会很高,220V输入可以达到98%的,因为高压输入可以说PFC工作量很小。低压(90V以下)输入满功率才是PFC难搞的地方,很可能会功率达不到,或者有声音。大磁环是PFC电感吗?目测圈数可能少了,可能会饱和,饱和后就会达不到功率同时会有声音。MOS和二极管要和散热片绝缘,不然干扰很强。
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金坷居士作者
10年5个月前 IP:未同步
658073
本帖最后由 金坷居士 于 2013-12-15 22:42 编辑

hanbreen 发表于 2013-12-15 17:49
高压输入效率当然会很高,220V输入可以达到98%的,因为高压输入可以说PFC工作量很小。低压(90V以下)输入 ...


改了260uH电感 把390uH拆了几圈就好了 85V两个20N60C3能短时间满载 不过热的快啊 换2个47N60C3并肯定没问题了
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