有源功率因數校正前置升壓變換器的設計應用

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1 引言

提高開(kāi)關(guān)電源的功率因數，不僅可以節能，還可以減少電網(wǎng)的諧波污染，提高了電網(wǎng)的供電質(zhì)量。為此研究出多種提高功率因數的方法，其中，有源功率因數校正技術(shù)（簡(jiǎn)稱(chēng)APFC）就是其中的一種有效方法，它是通過(guò)在電網(wǎng)和電源之間串聯(lián)加入功率因數校正裝置，目前最常用的為單相BOOST前置升壓變換器Ô­理，它由專(zhuān)用芯片實(shí)現的，且具有高效率，電路簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，本文介紹的低成本零點(diǎn)流型APFC控制芯片FAN7528N即可實(shí)現該功能。

2FAN7528的電路特點(diǎn)

2.1 如圖1所示，FAN7528N DIP8封裝，也有SMD封裝（FAN7528M），內部含有自啟動(dòng)定時(shí)器，正交倍增器，零電流檢測器，圖騰柱驅動(dòng)輸出、過(guò)壓、過(guò)流、欠壓保護等電路。

2.2 FAN7528 PFC控制芯片的性能特點(diǎn)

該芯片的最大特點(diǎn)是采用零電流導通變頻控制模式，其它性能特點(diǎn)如下：

« 內置啟動(dòng)定時(shí)電路；

« 內置R/C濾波器，可省掉外部R/C；

« 過(guò)壓及欠壓比較器；

« 零電流檢測器；

« 單象限乘法器；

« 1.5％的內部可調整的帶寬；

« 低啟動(dòng)電流及低工作電流

FAN7528是一個(gè)引腳簡(jiǎn)單，高性能的有源功率因數校正芯片。它是被優(yōu)化的，穩定的，低功耗，高密度的電源芯片，且外圍元器件少，節省了PCB布線(xiàn)空間。內置R/C濾波器，抗干擾能力強，對抑制輕載漂移現象增加了特殊電路。對輔助電源范圍不要求，輸出圖騰驅動(dòng)電路限制了功率MOSFET短路的危險，極大地提高了系統的可靠性。

3 有源功率因數校正原­理設計

3.1如圖2所示控制芯片采用FAN7528，功率MOSFET Q1的通、斷受控于FAN7528N的零點(diǎn)流檢測器，當零電流檢測器中的電流降為零時(shí)，即升壓二極管D1中的電流為零時(shí)，Q1導通，此時(shí)的電感L開(kāi)始儲能，電流控制波形如圖3所示，這種零電流控制模式有以下優(yōu)點(diǎn)：

« 由于儲能電感中的電流為零時(shí)，Q1才能導通，這樣就大大減少了MOSFET的開(kāi)關(guān)應力和損耗，同時(shí)對升壓二極管的恢復時(shí)間沒(méi)有嚴格的要求，另一方面免除了由于二極管恢復時(shí)間過(guò)長(cháng)引起的開(kāi)關(guān)損耗，增加了開(kāi)關(guān)管的可靠性。

« 由于開(kāi)關(guān)管的驅動(dòng)脈沖時(shí)間無(wú)死區，所以輸入電流是連續的并呈正弦波，這樣大大提高了系統的功率因數。

3.2 應用設計舉例

技術(shù)要求：

« 輸入電網(wǎng)電壓范圍：AC90V-265V

« 輸出直流電壓： DC400V

« 輸出功率：150W

PFC電感的設計

確定磁芯的型號

磁芯選用：EI40材料：PC40(A_L=4860±25%)nH/N²

輸出功率：P₀=V₀I₀ 式中V₀為輸出電壓，I₀為輸出電流

計算電感的峰值電流I_pk(η₁=0.98)

I_pk=2V₀I₀/(η₁×V_in(peak))，將輸入電壓V_in=85V，264V分別代入求得，

I_pk1=2.71A，I_pk2=0.87A

計算電感的電感量L(設定最小開(kāi)關(guān)頻率f_sw(min)=33kHz)

L=η₁/(4 f_sw(min) V₀I₀(1/V²_in(peak)+1/ (V_in(peak)( V₀- V_in(peak))))，將V_in=85V，IV_in=264V分別代入上式求得，L₁=560μH，L₂=530μH，實(shí)際取L=535550μH電感的電氣原理圖：如圖４所示

升壓MOSFET的選擇：

計算流過(guò)MOSFET的最大有效值電流I_Qrms

I_Qrms=2√2 V₀I_0(max)/(η₁×_Vin(LL))×(1/6-4√2 V_in(LL)/(9π×V₀))^1/2

代入相關(guān)數值得，I_Qrms=0.955A

故流過(guò)MOSFET的峰值電流取為I_pk =1.2×I_Qrms=1.15A

計算MOSFET所承受的最大反向電壓V_DS(max)

V_DS(max)=1.2×264×√2=450V

確定MOSFET的規格型號

根據I_pk、V_DS(max)及降低功耗的Ô­則，選用Fairchild的MOSFET,其型號及技術(shù)指標如下：

FQP13N50，V_DSS=500V，I_D=12.5A，R_DS(on)=0.43Ω，P_D=170WTO-3P

升壓二極管的選擇：

計算流過(guò)二極管的平均電流I_Davg

I_Davg=I_0(max)=0.4075A

故流過(guò)二極管的峰值電流取為I_pk =1.2×I_0(max)=0.489A

計算二極管的最大反向電壓V_R(max)

V_R(max)=1.2×V₀=480V

確定二極管的規格型號

根據I_pk、V_R(max)，選用IXYS的HiPerFREDT^M二極管，其型號及技術(shù)指標如下：

DSEP 6-06AS，V_RRM=600V，I_FAV=6A，P_tot=55W，TO-252 A

整流橋的選擇

計算整流橋所承受的最大反向電壓V_R(max)

V_R(max)=√2×V_in(max)=375V

計算流過(guò)整流橋的有效電流I_rms

I_rms=P_in/V_(in-max)rms=1.36A

故流過(guò)整流橋的最大電流值：1.4×I_rms=1.90A

確定整流橋的規格型號

根據上述條件選用RECTRON的整流橋，其規格型號及技術(shù)指標如下：

RS406L，V_RRM=600V，6A

其它參數按常規APFC，參照FAN7527使用說(shuō)明，此處略。

如圖５所示FAN7528N在A(yíng)PFC前置變換器中的應用電路

4 使用FAN7528的問(wèn)題及解決方法

« PFC中的自舉二極管速度越快越好；

« 注意MOSFET的源極與地線(xiàn)的連接，減少諧振的發(fā)生；

« PFC升壓后高壓電容的容量要夠，盡量采用標準值；

« 整流橋后的金屬化薄膜電容調整可以改變諧振；

« FAN7528的1腳和3腳之間加R/C，適當調整參數可以減少輕載不穩定；

« FAN7528的1腳和2腳之間的電容值影向啟動(dòng)時(shí)間；

« 該芯片在使用中發(fā)現，有很多優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。

5 結語(yǔ)

該設計¾­多次反復試驗，PFC升壓電感參數調整，及其它外圍參數設計試驗確定，功率MOSFET等器件的計算，已成功設計出150W升壓前置變換器，且后級設計DC-DC，已成功用于24VDC/5A輸出，120W功率因數校正開(kāi)關(guān)電源，功率因數高達0.998,整機效率高達88%。

按照此方案還可以設計出200W-300W功率電源。實(shí)踐證明該方案是可行的，有一定的應用價(jià)值。

參考文獻：

[1] FAN7528N使用手冊及應用設計，2007年2月

[2] 趙珂，蘇達義 MC34262系列PFC控制芯片的應用研究［J］。電源技術(shù)應用，2001年，第1•2期：P36-38。