教你如何提升常見(jiàn)PFC控制器的性能

接觸過(guò)開(kāi)關(guān)電源的朋友都知道，在開(kāi)關(guān)電源的運行過(guò)程當中，存在電流和電壓之間的一種損失，電流和電壓之間的相位差會(huì )造成交換功率的損失，而此時(shí)我們就需要PFC來(lái)幫助我們提高電路的功率因數。因此，離線(xiàn)功率轉換器通常設計為兩級的級聯(lián)型。第一級為一個(gè)升壓轉換器，這是因為該拓撲結構擁有連續輸入電流(通過(guò)使用乘法器可實(shí)現電流波形控制)以及可實(shí)現近似單位功率因數的平均電流模式控制。但是，升壓轉換器需要一個(gè)比輸入電壓更高的輸出電壓，和另外一個(gè)將輸出電壓降壓至可用電壓等級的轉換器(見(jiàn)圖1)。

圖1典型的兩級離線(xiàn)功率轉換器

升壓跟隨器的優(yōu)點(diǎn)

傳統的升壓轉換器的固定輸出電壓要比線(xiàn)電壓的最大峰值高出許多。但是，由于可設計步降轉換器應對電壓變化，所以并不需要對升壓電壓進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的調節或穩壓。只要升壓電壓高于輸入電壓峰值，轉換器就能正常運行。隨著(zhù)線(xiàn)電壓峰值變化而改變升壓電壓有以下優(yōu)點(diǎn)(例如升壓跟隨器預調節器)：一是升壓電感器的尺寸縮小，二是低壓運行時(shí)的較低開(kāi)關(guān)損耗。圖2顯示了升壓跟隨器和傳統的PFC預調節器的輸出電壓隨著(zhù)輸入電壓(Vin(t))變化而變化的情況。

圖2隨著(zhù)輸入電壓變化，傳統升壓調節器和升壓跟隨器輸出電壓的變化情況

較低的升壓電感(L)

升壓電感器的選擇是根據允許的最大紋波電流(△I)確定的，此時(shí)，線(xiàn)電壓 [Vin(min)]和輸出電壓[Vout(min)]均為最低，而占空比(D)為最大。下面的方程式用來(lái)計算出樣機電源升壓功率級所需電感。最小輸出電壓峰值的減小導致最大占空比的減小，從而使升壓電感減少。低壓運行時(shí)較低的升壓開(kāi)關(guān)損耗

在離線(xiàn)PFC轉換器中，轉換器的大部分功耗都來(lái)自于進(jìn)行升壓開(kāi)關(guān)轉換(Q1)時(shí)的開(kāi)關(guān)損耗。下面的方程式可以計算出FET開(kāi)關(guān)損耗(PFE_TR)和部分FET寄生電容損耗(PCOSS)。在下面的方程式中，IRMS_L表示流過(guò)升壓電感器的均方根電流，Ton和Toff為FET開(kāi)關(guān)轉換次數，變量fs表示功率轉換器的轉換頻率，Coss表示FET寄生電容。從方程式可以推出，如果輸出電壓降低，開(kāi)關(guān)損耗也將減少。升壓跟隨器的PFC轉換器在低壓運行時(shí)，其輸出電壓要遠遠低于傳統的PFC升壓轉換器的輸出電壓，同時(shí)這也減少了開(kāi)關(guān)損耗。

為了進(jìn)一步的說(shuō)明，我們建立了使用通用線(xiàn)電壓(如85Vac至265Vac)UCC3817PFC控制IC的兩個(gè)功率為250W的轉換器樣機。其中一個(gè)轉換器設計采用傳統的拓撲結構，輸出電壓為390V。另一個(gè)轉換器則是利用升壓跟隨器技術(shù)進(jìn)行構建的，輸出電壓可以在230V至387.5V之間進(jìn)行變化。低壓運行時(shí)升壓跟隨器功率大約高出2%~3%。請參見(jiàn)圖3進(jìn)行功率比較。

圖3傳統PFC和升壓跟隨器PFC在85Vrms時(shí)的效率

所需額外電路

設計一款帶有典型PFC控制器的升壓跟隨器PFC功率級并不困難，只需要5個(gè)額外電子元件即可(見(jiàn)圖4)。

圖4升壓跟隨器電路只需多增加5個(gè)元件

所需的額外電子元件分別為C1、R1、R2、R4、Q1和D1，這些元件可以用于吸收電壓環(huán)路反饋中電壓放大器反相信號的額外電流。當整流線(xiàn)電壓增高或降低時(shí)，Q1吸取一個(gè)流經(jīng)R3的對應電流，從而導致輸出電壓隨著(zhù)線(xiàn)壓的改變而改變。使用二極管來(lái)抵消Q1基極發(fā)射極結溫(Vbe)的變化。電容C1和R2形成一個(gè)低通濾波器，可以消除由整流線(xiàn)電壓引起的紋波電壓。

應用實(shí)例

本電路是為了使輸出電壓在230V至390V之間變化而設計的，大致為一個(gè)2:1的輸入范圍。設計本電路的第一步是建立分壓器，可以由R3和R4來(lái)組成。首先選擇R3，然后使用下列方程式計算出R4所需的值。在本設計中，Vref的值為7.5V，Vout(最小)的值為230V。

由R1和R2組成的分壓器，用來(lái)使Q1的基電壓在1.4V至3.9V之間變化。必須注意的是，不要使晶體管飽和。下列方程式可以用來(lái)選取R2的值：

在輸入電壓最小化至85V均方根電壓時(shí)，Vqb1(最小)是Q1的基電壓。Vd是電路的正向二級管壓降。

電容C1用來(lái)過(guò)濾出整流線(xiàn)電壓紋波。為了限制第三階諧波電流失真，安裝濾波器來(lái)將整流線(xiàn)頻率減至Q1基點(diǎn)最大電壓的1.5%(Vqb1(最大))。

本設計中，最大輸入電壓為265V，線(xiàn)頻率(f_line)為60Hz。

在最終設計中，輸出電壓隨線(xiàn)電壓的增長(cháng)應在設計電壓的8%以?xún)?。除了Q1基極發(fā)射極電壓(Vbe)的電阻器容差和變化以外，二級管的正向電壓也是出現誤差的原因。在本應用中，升壓電壓不需要一個(gè)嚴格的容差，因為下游轉換器會(huì )對PFC預調節器輸出電壓中任何異常的變化進(jìn)行校正。

本文主要講述了升壓跟隨器的優(yōu)點(diǎn)，以及在低壓狀態(tài)下運行的升壓開(kāi)關(guān)損耗?；谶@些知識來(lái)對PFC控制器的性能進(jìn)行提高，PFC的數值越大，就表示其電力的利用率越高，所以熟練掌握PFC的相關(guān)知識就能夠為我們的設計提供更加便利的捷徑。