基于電荷控制方式的CCM反激PFC電路的設計

1　引言

　　由于用戶(hù)對電能質(zhì)量要求的提高,市場(chǎng)對具有PFC功能的AC/DC電源的需求激增。目前，PFC電路中較常用的為BOOST和FLYBACK兩種變換器，在大功率應用中BOOST變換器依靠現有的控制方式能控制升壓電感的平均電流跟蹤正弦參考電壓，為首選拓撲；在中小功率應用中，反激拓撲以其簡(jiǎn)單靈活的特點(diǎn)較BOOST電路更具優(yōu)勢，它解決了隔離和軟啟動(dòng)及短路保護問(wèn)題，并且輸出電壓可低于輸入電壓。反激PFC的難點(diǎn)在于如何控制輸入電流使變換器工作在電流連續狀態(tài)，并在同樣的器件定額下，使CCM反激比DCM反激能輸出更大的功率。反激變換器工作在DCM時(shí)，定占空比便可獲得單位功率因數。但DCM模式有如下缺點(diǎn)：EMI濾波器過(guò)大；開(kāi)關(guān)應力大：管子導通損耗大。

　　應用電荷控制方式能準確控制輸入的平均電流，使反激變換器工作于電流連續模式并獲得單位功率因數。


2　電荷控制的基本原理

　　所謂電荷控制就是在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內對流過(guò)主開(kāi)關(guān)管電流的檢測信號積分，得到表征輸入總電荷量的電壓信號，通過(guò)控制這一電壓去控制輸入的總電荷量即控制輸入的平均電流。應用于反激PFC 的電荷控制的基本原理圖及關(guān)鍵波形如圖（1）所示：

　　
　　主開(kāi)關(guān)S1在每個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始時(shí)閉和，與此同時(shí)，S2斷開(kāi)，開(kāi)關(guān)電流Is被檢測并給電容Ct 充電，當電容電壓增至Vc 時(shí)，S1斷開(kāi)，同時(shí)閉和S2對Ct放電，電壓Vt表征了一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內流過(guò)主開(kāi)關(guān)的總電荷量，定頻工作時(shí)，Vt與開(kāi)關(guān)電流的平均值成比例，因此，當Vc 為工頻輸入電壓參考信號時(shí)，那么輸入的平均電流便嚴格的跟蹤輸入參考的電壓信號，即實(shí)現了功率因數校正功能。


3　功率電路和控制電路的參數設計

　　基于電荷控制方式，設計制作了一臺200w的反激PFC變換器，其完整的電路圖及參數如圖2所示。

　　下面將介紹其參數的設計方法。

　　變換器的輸入輸出指標

　　輸入電壓：90VAC—260VAC

　　輸出電壓：48VDC

　　最大輸出功率:200W

　　開(kāi)關(guān)頻率:100KHz

　　3、1　功率電路參數設計

　　功率部分主要是設計反激變壓器，根據給定參數設計匝比和激磁電感，以及開(kāi)關(guān)管峰值電流的最大值。

　?、?變壓器變比由主開(kāi)關(guān)管和整流管的最大電壓應力確定:

　　

為主開(kāi)關(guān)管的電壓應力，

為整流管的電壓應力，對于給定的輸入輸出電壓選定N=3，以便使整流管使用肖特基管,對應的

　?、?變比N確定以后，便由下式確定最小占空比的范圍:

　　輸入電壓最低時(shí)，對恒功率負載，輸入電流峰值最大，且為

　?、?相應最大開(kāi)關(guān)電流為

　　3.2箝位電路設計

　　箝位電路一般有RCD箝位和有源箝位兩種方式，RCD電路簡(jiǎn)單，但缺點(diǎn)是降低了變換器的效率，而有源箝位電路復雜，并且由于反向回流電流降低了輸入功率因數，但其效率較高，綜合考慮整個(gè)變換器的成本和效率以及電路復雜程度，這里選用一般的箝位電路RCD箝位。

　　經(jīng)測量變壓器漏感為

，箝位電路中的電容電壓最低為

，其中

144V,取其波動(dòng)電壓的最大值為

100V ，則電容C的容值由下式計算：

　　3.3、控制電路設計

　　控制電路采用PFC專(zhuān)用芯片UC3854和適當外圍電路。在這里我們選用UC3854的一部分功能，UC3854的乘法器輸出電壓作為電荷量的給定信號，積分電容上的電壓Vt與乘法器輸出電壓經(jīng)LM311比較得出翻轉信號，將此信號送給UC3854的過(guò)流保護端子2腳，便得到對應的占空比輸出，這里不使用其電流環(huán)上的誤差放大器，UC3854的輸出經(jīng)反向后驅動(dòng)積分電容上并聯(lián)的開(kāi)關(guān)管保證主開(kāi)關(guān)管斷開(kāi)時(shí)，將積分電容上的電荷放掉，從而實(shí)現了對主開(kāi)關(guān)管電流的準確積分，其中積分電容Ct的值需滿(mǎn)足下式:

4　電荷控制的反激PFC電路的實(shí)驗結果

　　本文試制了一臺樣機，圖3為市電輸入電壓滿(mǎn)載時(shí)的輸入電壓和電流波形。效率隨輸出電流變化的特征曲線(xiàn)如圖4所示，當輸入電壓較高時(shí)，半載至滿(mǎn)載時(shí)，都能使效率保持在80%以上，功率因數半載時(shí)達0.990，滿(mǎn)載時(shí)達到0.992。

5　總結

　　本文介紹了電荷控制的基本原理，并將電荷控制方式應用于CCM反激功率因數校正電路中，并給出了電路設計方法，CCM 反激PFC有如下特點(diǎn)：

　　(1)功率電路簡(jiǎn)單

　　(2)輸出電壓可以低于輸入電壓

　　(3)可以解決隔離、軟啟動(dòng)和短路保護的問(wèn)題

　　(4)輸出功率因管子的電壓、電流應力過(guò)大而受到限制

　　變壓器漏感能量是引起管子電壓應力過(guò)大的主要因素，解決漏感能量的循環(huán)與吸收問(wèn)題是提高CCM反激PFC功率與效率的關(guān)鍵。


參考文獻

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