电力电子
 
无桥APFC 2014年结束之前终于做出来了!
金坷居士 2015-1-3 16:15:05
这玩意窝前后苦思冥想折腾了快1年的时间啊啊啊 在2014年的最后一天终于做好了!

电路素完全原创的哦w

设计指标输入85-265VAC,输出400VDC,持续输出功率1.5kw,在85V输入时也得达到1.5kw

窝选择UCC28019作为核心控制芯片,这是一款单周期平均电流控制的PFC芯片,单周期控制技术只需要采样输入电流和输出电压即可完成PFC功能,传统的CCM模式的PFC芯片需要额外采样输入电压的瞬时值和有效值,这俩在无桥PFC中很难直接采样。因此单周期控制方案成为了首选。

其他公司类似的芯片还有安森美NCP1654、英飞凌ICE1PCS02、ICE2PCS02、ICE3PCS02等

UCC28019的开关频率为固定的65KHz,对于这个1.5kw级别的应用正好,是在电感体积和开关损耗之间的一个不错的平衡芯片带有超压保护、开环保护、输入电压过低保护、过流保护、过热保护等功能

比较难攻克的地方就是电流采样,幸运的是ST公司的一片应用文档已经给出了不错的解决方案,在这里感谢他们!

图来自ST公司的AN1606文档
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这里有L1和L2两个电感,L1对功率管电流进行采样,L2对二极管电流采样,合成之后便是含有高频成分的电感电流波形。
当AC上正下负的时候,当M2开启时L1b和次级传感了M2的电流,M2关闭之后L2则传感了二极管波形
当AC上负下正的时候,当M1开启时L1b和次级传感了M1的电流,M2关闭之后 L1a和L1b产生了相反的磁通,互相抵消,此时L2传感了二极管的电流波形
Q1的作用是为了防止L1的磁芯通过次级的二极管进行磁复位,防止输出的信号含有复位电流成分
有了这个检测方法,就可以准确的反应出电感电流的波形,从而提供给芯片进行功率因数校正  

窝计算得到的电流采样电阻为0.018欧,因此互感器就采用1:260的,而次级的负载电阻为4.7欧,较高的互感器初次级比有助于抵消二极管的非线性影响。两个电流互感器用0.2的漆包线绕260圈,然后穿过粗漆包线制成,结构如下:
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采用互感器之后,功率回路和信号回路更独立,因此得到的电流信号更纯净

主功率电感和UCC28019的反馈和补偿回路的设计与传统的有桥PFC完全一致,因此可以方便的采用TI公司提供的excel表格进行快速计算。

为了降低EMC问题,输出电感采用双绕组耦合工艺,圈数和传统PFC所需的一样,只不过分成两部分来绕:
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窝的电感采用了1.8mm的漆包线绕制,因为是CCM的,所以高频电流成分很少,基本能按照工频标准选择线径磁环采用90导磁率的77442

控制部分和功率部分的参数如下:
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D407和D408用于在启动的时候给高压电容充电,防止电流冲击电感
继电器用于在PFC正常工作之后短路启动限流的NTC电阻,降低损耗

这是给控制电路供电的开关电源电路,AG_15V用于给软起动电路、同步整流控制电路和低压保护电路供电,电路采用了无光藕的形式,保证了AG_15V那路的输出稳定,反激变换器有交叉调整问题,为了保证PFC芯片得到稳定供电,IC102充当了稳压的作用。
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下面介绍其他的一些控制电路
首先是低压保护功能,防止在电网电压过低时PFC输入过大电流而烧毁
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这部分电路利用NE555的锁存和比较功能实现,需要结合NE555内部原理分析。输入的AC经过整流滤波后进行检测,当6脚电压大于5脚电压时输出变为低电平,光藕得电工作,AC_GOOD信号传递给PFC芯片使之开始工作,当IC201A的5脚小于5.2V之后,2脚电压变低,3脚输出高电平关闭光藕,此时PFC芯片被禁止工作以达到保护目的。  

然后是同步整流控制电路,用于使续流的管子持续导通,避免体二极管导通,提高效率
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稳压管用于保护比较器,电容用于滤波。之所以用输入AC分压后和一个非零电压比较是为了在Sync1和Sync2之间产生一定死区时间避免同时长时间导通引起炸鸡

最后是软起动电路
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这部分只是一个延时接通可控硅的电路

最终的PCB:
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实物图和带2.4kw负载的图片:
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最后发电路图和PCB 用AD10能打开: 过几天等仪器到了之后准备进行更详细的效率和PF测试w
+1  学术分    ry7740kptv   2015-01-03   优秀设计
2015-1-3 17:05:48
1楼
新年大作,恭喜小翠
身子藏在墙后,电路板也被灯挡着,是不是为了安全考虑[s::lol]
2楼
无桥有什么优点?是否效率提高了一个两个百分点?
3楼
这也是开关电源?
4楼
又是马桶背景。。。
5楼
怎么感觉这个厕所地面比外面的高了一截的样子啊····
6楼
很厉害!!建议测量效率。另外请给整篇文章取一个正式标题。
7楼
这个不错啊  技术含金量高
8楼
不错,现在的高效率通信电源基本都是无桥PFC,整体效率貌似能到98.
9楼
好厉害啊……
10楼
这个可是好东西。有价值。恭喜楼主。
11楼
楼主的设计令人感到全身温暖、血脉喷张!

当然我回帖一向都是以吐槽为主的。下面开始。

1.好贵的管子呀

按照400V/2kW来算,二极管平均电流是5安,rhrp3060在5安的压降是1.2V,即消耗 6W。
占空比不清楚,暂且设mos最大电流10安,50%占空比。双mos并联后导通电阻为35毫欧,即消耗3.5W。


此管Cgd Cgs非常大,400V Vds下开关损耗极其可观,建议楼主计算一下双管并联的开关损耗。如果忽略开关损耗,楼主双mos并联,导通损耗3.5W左右,平均每个管子小于1W,等于完全不用加散热片(就算加也不用加那么大一块)。


2.设计总是很复杂


虽然运放和贴片电阻都很便宜且很可靠,但大量使用仍然不利于MTBF。
有一些电路设计,更是复杂得匪夷所思。
挑一例典型的,批评一下:


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楼主的目的:threshold电压大于6.8光耦通电,小于5.2光耦断电。也就是一个滞回比较器。


首先齐纳管分压完全不需要旁路电容,15V上面的100mV噪声用齐纳+电阻分压之后不会大于5mV,完全不影响滞回比较器(比较区间1.6V)工作。


其次,滞回比较器完全不需要使用555. 下面这个电路可以实现一样的功能。
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5V直接用15V分压就行了。

如果再要找茬,就是为了电压检测这么一个功能而专门加一路供电,是不是太多余?


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输出RC滤波,再接比较器即可。图中有错,GND改成AC2,要串4007
此电路工作原理:如果交流输入电压的1/100大于发光二极管导通电压,则光敏三极管一边会产生电流。


如果需要设置很精确的低压门限,当幅值超过门限时光耦输出脉冲信号,则可考虑TL431。


个人意见:如果纯粹为了保护管子,漏极用康铜丝采样,过流保护即可。

3. gate drive

12V驱动电压+10欧串联电阻=最大驱动电流1.2A,因此驱动用IR2110即可(一片可管两个通道),不需要具有12A输出能力的MIC4452。

关断有二极管加速,看似万事大吉,但楼主的gate离drain太近,离source太远,寄生Cgd电容会导致excessive ringing;且gate drive return没有单独连到每个管子的source,而是从一大片铺铜返回,这会导致gatedrive 的回路面积增加,首先EMI会通不过,其次gate drive路径寄生电感增加,同样会导致excessive ringing。
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图中黄线就是12A驱动电流将要流过的路径。

建议楼主发个Vgs和Vds波形让大家欣赏下。

除了这一处之外,其他大电流回路的走线还是比较合理的。

4. 铜皮和走线的阻焊可以直接勾选开窗,无需事后再加。

5. 人无完人,楼主万岁万岁万万岁

[修改于 4 年前 - 2015-01-04 14:43:09]

12楼
身子藏在墙后,电路板也被灯挡着,是不是为了安全考虑
金坷居士(作者)
13楼
引用 novakon:
楼主的设计令人感到全身温暖、血脉喷张!

当然我回帖一向都是以吐槽为主的。下面开始。

1.好贵的管子呀

按照400V/2kW来算,二极管平均电流是5安,rhrp3060在5安的压降是1.2V,即消耗 6W。
占空比不清楚,...
能看到这么认真这么长的回tu帖cao 简直太高兴惹
1. 选择这管子的原因主要是在中二时期买过好多拆机的这东西,电流比较大
一颗管子在220V下出这个功率也很安全 但是如果考虑在85V下出1.5kw 在高温下会有点接近管子的安全工作极限 所以还是并了
这管子一颗DS电容2200pf Vds按照输出的400V计算 65Khz开关频率 那么开关损耗有2200pf * 2 * 400v * 400v * 0.5 * 65khz  = 22.88w 远比开关损耗大的多、 看来有必要研究下ZVT技术惹
2、同步整流驱动哪里可以考虑改进、 貌似1M电阻大了点 得用100k的 但素又会发热QwwwQ
3、布线参考过很多资料 但素这个接地问题实在太纠结了 管子多 好几个S级 而且还需要会和功率地和控制电路的地ORZ
话说如果把那里的接地改成很大一坨能好么
4、还素喜欢这种香肠开窗
5、窝要在这里卖了个萌QwwwQ233049
金坷居士(作者)
14楼
引用 SUV大侠:
身子藏在墙后,电路板也被灯挡着,是不是为了安全考虑
是啊 泥看后面的墙都被炸烂了233333
15楼
顶小翠~
2015-2-5 19:05:46
16楼
引用 金坷居士:
是啊 泥看后面的墙都被炸烂了233333
墙怎么看都是扒开弄的检查口吧。。
我也来卖萌
235124
2016-2-17 22:54:29
17楼
标记一下 学习
2016-3-15 10:45:51
18楼
虽然看不懂,还是要来顶一下

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