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基于并联交错UCC28070设计的2.5KW功率因数校正PFC

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thl
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LV3
助理工程师
  • 2013-6-7 19:22:36
出于应用要求,最近开发了一台基于UCC28070为控制芯片2500W的功率因数校正PFC。
输入电压:85V-265V,输出390V。
PF:0.9-0.99,
效率:≥96%
输出功率最大3400W。
磁环电感采用2个40MM铁硅铝绕制电感量为300uH电感
实物图如下:

输出电容用了3个330UF的电容,相对来说有点偏小,因为这版设计是配套1500W逆变器后级用在在线式UPS上面,加上逆变桥的电容就能达到要求了。
整机发热方面最严重的还是整流桥堆,目前采用的是2个25A600V的桥堆并联,设计时没想50A的桥堆用到到2500W的时候热量还是挺大的,总体来说整机功率管的热量要小于桥堆。这是整机的一点不足之处。需要单独加以小风扇给桥堆散热。
下面是整机工作时的输入电压和输入电流波形:


从图中可以看出电流波形已经基本正弦化,同步于输入电压。
下图为PFC2个电感的电流波形:

这里没有上传细节电感电流展开的波形,实际中2电感电流是交错180度的。
下图为高压直流输出的电流波形:

从图中可以看出电流为跟随市电电压100HZ的电流波形。
下面是整机的原理图的主要部分。
[img=16px,16px]http://bbs.dianyuan.com/js/uploader/image/pdf.gif[/img]基于UCC28070-2KW功率因数校正PFC的应用设计
整个设计参考TI给出的设计手册:
整个设计的开始,定义自己设计的要求:

因为本机没有采用SIC整流二极管,所以频率不能太高。做到75KHZ为最高。
上面整机图片所用的是75KHZ的参数,此前做到100KHZ做过实验,普通快恢复在100KHZ下发热量极大。
所以用快恢复做的输出二极管建议频率为38KHZ-75KHZ,
本设计详细介绍63KHZ下各各参数的计算:
首先确定PFC2电感的电感量:


从图中计算公式上面的42.2uH为PFC电感的最低电感量,由于TI设计手册提到了电感的摆动,但是没有详细的计算公式,本人在网上也找不到相关资料介绍,所以这里凭经验选择250uH到300uH。实际所采用的是300uH电感来做PF。
下面计算出3.3KW时输出电容的大小:

从计算中得到电容为2110uF。
下面对功率器件选型,首先要计算出整机最大工作电流:

图中可以看出,MOS管的峰值电流达到53A,平均电流17.56A,所以要选择合适的功率机器,一般选择1.5-2倍的余量来设计,本案例中用到2只FQA28N50并联来做。当然也可以用其它型号单只MOS来做。
下面是输出整流二极管的选型:

我们可以选择10A-15A或以上二极管来做,本案例中利用了现有的RHRP30N60来做。


下面对电感电流检测互感器CT的设计:

本案例中使用1:200匝比的互感器,输出峰值电流为250MA。
从TI手册设计公式计算得到大约1:550的匝比,就方便而选型,我这里用到1:200。而且TI手册推荐互感器匝比在50-200之间。所以我这里没有用到公式来选型。

从公式计算得到互感器电感量最少不能低于7.6MH,实际我们选择的互感器电感量是135MH左右,相差还是甚远。
所以有时候还是得灵活运用。
下面计算出电流采集电阻RS的选择。


根据计算,整流二极管的耐压不得低于115V。那么我们选型就有个标准参考了.



下面计算出峰值电流限制3.7V的分压电阻以及频率占空比的电阻:

下面对电压反馈量的计算,得到分压网络的电阻值:


下面对电压反馈比较起输出端的电压环路进行设置:



通过计算,我们按照标准原件值来选择得到:
RZV=100k,CPV=1.5NF,ZCV=1.5UF(利用1uF和474来并联得到)
下面对RSYN电阻计算进行选型:

下面计算出IMO电阻的值:

下面我们对CAO的各项原件值大小进行计算:


通过计算,我们很容易得到RZC,CZC,CPC元件的值。


下面我们对软启动时间对软启动电容值进行选型:

下面我们对降低EMI干扰的频率抖动参数进行计算:

总结:
通过一些列的计算,是不是把复杂的原件变得简单化。
之前这台PFC在设计过程中,正式因为想偷懒,没有计算,导致我折腾很长时间。这次把自己的设计过程跟大家分享,就是不想大家在设计过程中走太多弯路。本人对PFC研究不深,如有什么不足之处,希望大家能及时指正。一起共同学习。


btclass
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高级工程师
  • 2013-6-7 20:27:00
 
兄弟,辛苦了。
打赏大洋十个,美女一个。


鄙人一直对CCM交错有偏见,认为性价比超低。我设计的几KW级PFC,全是单路,也没见得有什么不好。
btclass
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LV6
高级工程师
  • 2013-6-7 20:37:52
 
对了。
兄台的整流桥并联方式其实不是最佳。
最佳方式是:

由于并联的是同一个整流桥里面的管芯,温度、电气特性都可以保持一致。比并联不同整流桥的方式优秀很多。
thl
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  • 2013-6-7 23:47:08
 
老兄真是高见,我现在也头痛桥堆发热问题,估计是不均流造成,这方案好,下次设计可以用上。
ahmanzjk
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  • 2013-7-3 16:21:44
 
dq8259
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  • 2013-11-14 17:36:43
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一个桥发热就扛不住,就多搞一两个并嘛,没问题的
threetigher
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  • 2013-7-3 12:05:23
 
Jewin
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高级工程师
  • 2013-7-3 22:57:42
 
这样挺好的,不知道Layout时好线不,如果不错的话,可以考虑借用下,谢谢。
threetigher
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  • 2013-7-3 23:08:59
 
中间有孔,我觉得空间不够,飞一下也挺好的。
Coming.Lu
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版主
  • 2013-7-11 08:03:37
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早已经用上了。
threetigher
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  • 2013-7-3 12:03:15
 
可能交错对于单管的散热、耐流要求低一点。
如果大功率达到3KW以上,开关管也差不多要并联了。
另外一个问题,如果更大功率,应该考虑软开关pfc了。
bake_ql
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副总工程师
  • 2013-6-7 20:43:58
 
做的很详细,计算全面呀
不过有几点想有些探讨的地方,第一电感纹波电流最大值不是出现在最小电压峰值,而是出现在输入电压等于输出电压一半的时候,数学上可以证明,也有文献有讲的,最大电流可能出现在最小输入电压时候的峰值,也可能是纹波电流的最大值处,要保证电感都不饱和,第二,环形电感值在流过电流(DC bias)后有效电感值会减小,具体可以计算,请参考美磁的磁芯手册,上面有例子计算方法和过程,第三输入二极管可以考虑ST的TANDEM diode或者有些公司所为了thinQ,反向恢复会小一些,当然最好是用SiC,整流桥损耗是很大,你可以选择正向压降比较小的,减小损耗,另外散热器加大,还有整流桥温度高点更好,导通压降第,损耗反而会降下来,一百度左右吧,
thl
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助理工程师
  • 2013-6-7 23:53:15
 
老兄还是大师了,小弟只是第一次做,算是经过了很多折腾才做出今天的成绩,还是大师的一番话,就只破了我几个难题,还希望大师多多指教。
waveway
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高级工程师
  • 2013-6-26 19:55:23
 
大哥,您用ucc28070做的PFC搞定没有啊,如果主电路先不加市电,给芯片单独提供13V的直流电,芯片引脚GDA、GDB有没有输出呢
joanna
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本网技师
  • 2013-7-5 14:16:43
 
需要给VInac脚正弦波,Vsense大于0.7V小于3V的电压,才有PWM输出
waveway
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高级工程师
  • 2013-7-5 16:58:00
 
大哥,你说的我都考虑到了,给VInac脚正弦波了,Vsense大于0.7V小于3V的电压也满足,不加ucc27324,ucc28070的GDA、GDB有pwm输出,但是一加上ucc27324,就没有驱动输出了。真是见鬼了,我用信号发生器生成的20khz,幅值10V的方波加到ucc28070的GDA、GDB,但是再用示波器测量,直接衰减成幅值50mv了(ucc27324焊接上测试的),真不知道电路哪里出问题了。
thl
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  • 2013-7-9 20:34:26
 
那还真是奇怪,会不会是你的27324是假的,28070的输出SPWM电流很小,电流稍大就会挂掉28070,看看你的27324是否正常
waveway
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高级工程师
  • 2013-7-9 21:45:23
  • 倒数10
 
大哥,您好,我是申请TI的27324芯片,芯片没有问题,应该是我的pcb哪部分或者电路哪部分有问题,我现在把24324单独隔离出来了,目前就只能这样处理了。可我还是想搞清楚问题到底出在哪,大哥您不能看看我的pcb呢,谢谢您了http://bbs.21dianyuan.com/155025.html#buttom
huihui0830
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助理工程师
  • 2013-6-27 10:08:15
 
第一次很不错了
gaohq
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副总工程师
  • 2013-7-10 20:26:24
  • 倒数9
 
第一电感纹波电流最大值不是出现在最小电压峰值,而是出现在输入电压等于输出电压一半的时候,数学上可以证明

是输入的有效值电压吗?
刘磊
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  • 2013-10-22 14:38:16
  • 倒数7
 
讲的非常好,这个芯片需要调的地方有点多,比较麻烦。
tonyqian926
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本网技师
  • 2013-11-11 11:13:57
  • 倒数6
 
请问下楼主,你的2.5KW PCB长宽是多少啊。目前我要做一个2KW的PFC,准备也用UCC28070
刘磊
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  • 2013-11-14 09:26:09
  • 倒数5
 
虽然这个芯片需要调的地方比较多,但是这个芯片还是很好用的。
fade
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本网技师
  • 2013-11-14 13:44:20
  • 倒数4
 
楼主,你应该是用mathcad计算的吧,能不能共享下哈。我的邮箱chenzj5566@126.com 谢谢。
刘磊
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  • 2013-11-14 16:35:23
  • 倒数3
 
这个外围参数文档都有计算公式的,计算的参数再根据需要具体细调一下,应该就可以了。
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  • 2013-12-17 02:27:46
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我的QQ是345295362,平时没什么时间上论坛,有问题加我Q吧,注明来历。
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