基于MC33262的高功率因數(shù)AC/DC變換器研制

開關(guān)電源由于其體積、重量和效率的優(yōu)勢正逐步取代線性電源,在各個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用. 傳統(tǒng)的非控整流開關(guān)電源,由于輸入阻抗呈容性,網(wǎng)側(cè)輸入電壓和輸入電流間存在較大相位差,輸入電流呈脈沖狀,嚴(yán)重非正弦,諧波分量很高,給電力系統(tǒng)帶來了嚴(yán)重污染,一般電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅為0. 65 左右.國際電工委員會(huì)( IEC) 早在20 世紀(jì)90 年代初就制定了有關(guān)法規(guī),嚴(yán)格限定設(shè)備的功率因數(shù)必須接近于1. 在當(dāng)前大力倡導(dǎo)綠色電源的背景下,提高開關(guān)電源的功率因數(shù)也已經(jīng)成為國內(nèi)電源廠商的當(dāng)務(wù)之急.

文章對APFC 技術(shù)中的準(zhǔn)連續(xù)模式即峰值電流控制方式做了詳盡論述,采用MC33262 芯片設(shè)計(jì)了一種寬電壓輸入范圍、固定升壓輸出的150 WAC/DC 變換器. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該變換器能在95～255 V的寬電壓輸入范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的400 V 直流電壓,并使得功率因數(shù)達(dá)到0. 99 以上,總諧波畸變降低至6 %以下.

1APFC原理和MC33262 芯片介紹

APFC 技術(shù)按照電感電流是否連續(xù)可分為斷續(xù)(DCM) 和連續(xù)(CCM) 模式2 種. CCM 一般基于直流—直流升壓(BOOST) 變換器,尤其適合于大中功率容量. MC33262 功率因數(shù)補(bǔ)償控制芯片電流控制方式是CCM 中的峰值電流控制方式.

MC33262 芯片內(nèi)部含有自起動(dòng)定時(shí)器、一象限乘法器、誤差放大器、電流檢測比較器、零電流檢測器、圖騰柱驅(qū)動(dòng)輸出以及過壓、欠壓等保護(hù)電路,具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖見圖1 所示,圖中1～8 分別表示芯片引腳號, V ref為參考電壓.

圖1 　MC33262 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

利用一個(gè)無感采樣電阻檢測開關(guān)管流過電流,將所得電壓信號經(jīng)過一個(gè)內(nèi)置阻容(RC) 濾波電路送入零電流比較器. 該比較器電流基準(zhǔn)值由乘法器輸出供給. 乘法器有2 個(gè)輸入,一個(gè)是變換器輸出直流電壓(經(jīng)過分壓采樣) 與基準(zhǔn)電壓之間的誤差信號;另一個(gè)為全波整流后輸出電壓經(jīng)過電阻分壓后的值. 因此電流基準(zhǔn)為雙半波正弦電壓,令電感電流的峰值包絡(luò)線跟蹤該輸入電壓的波形,使輸入電流與輸入電壓同相位,并接近正弦. 該閉環(huán)系統(tǒng)在保持輸入端功率因數(shù)接近1 的同時(shí),也能保證輸出電壓的穩(wěn)定.

當(dāng)輸出電壓上升時(shí),誤差放大器輸出電壓下降,使乘法器輸出的基值電流值下降,開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間縮短,流過電感的電流下降,從而使輸出電壓下降. 反之,使輸出電壓上升,以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的. 由于乘法器輸入取樣來自全橋整流的輸出,所以乘法器的輸出和全橋整流輸出電壓波形的相位相同,從而使電感電流的平均值和整流輸出電壓同相,達(dá)到功率因數(shù)補(bǔ)償之目的. MC33262 片內(nèi)還帶有RS 門鎖電路,它同時(shí)受電流檢測比較器、零電流檢測比較器和過電壓比較器3 個(gè)輸出的控制,并可以確保在同一時(shí)刻芯片的脈沖寬度調(diào)制( PWM) 信號輸出只有一種狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)信號出現(xiàn). MC33262 片內(nèi)還帶有欠電壓封鎖電路,當(dāng)輸入電源電壓降低至內(nèi)置8 V 參考電壓時(shí),封鎖PWM 脈沖輸出. MC33262片內(nèi)還帶有過電壓比較器,能在輸出端一旦出現(xiàn)過電壓時(shí)禁止芯片產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)輸出.

從控制角度上講,該APFC 電路同時(shí)引入了電壓和電流反饋構(gòu)成一個(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng),外環(huán)實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定,內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)輸入電流整形使之成為與電壓同相位的標(biāo)準(zhǔn)正弦波.

圖2 所示為采用MC33262 PFC 控制芯片構(gòu)成的有源功率因數(shù)校正電路原理性框圖. 場效應(yīng)晶體管(MOSFET) 的導(dǎo)通受控于MC33262 芯片內(nèi)的零電流檢測器,當(dāng)零電流檢測器中的電流降為零時(shí),MOSFET 導(dǎo)通,此時(shí)電感開始儲能,電流增加. 這種零電流導(dǎo)通控制的突出優(yōu)點(diǎn)有:

圖2 　有源功率因數(shù)校正電路原理框圖

(1) 由于MOSFET 開始導(dǎo)通時(shí)刻,儲能電感中電流為零,這樣MOSFET 開關(guān)的應(yīng)力和損耗大大減小,同時(shí)降低了對后級整流二極管快恢復(fù)性的要求,因此選用普通的快恢復(fù)二極管即可滿足設(shè)計(jì)要求;另一方面免除了由于二極管恢復(fù)時(shí)間過長引起的開關(guān)管損耗,也就大大增加了開關(guān)管的可靠性.

(2) 由于開關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖間無死區(qū),所以輸入電流是連續(xù)的并呈正弦波,這樣大大提高了系統(tǒng)的功率因數(shù).

2 　基于MC33262 的APFC電路結(jié)構(gòu)

2. 1輸入端保護(hù)及濾波電路分析

為避免交流輸入端外界產(chǎn)生的電壓尖峰對電源造成不利影響,采用金屬氧化物壓敏電阻并接在交流輸入端對瞬態(tài)電壓進(jìn)行抑制 . 同時(shí)采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(NTC) 串聯(lián)在交流輸入端,用以增加對交流線路的阻抗, 把浪涌電流減小至安全值. 高頻開關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾( EMI) 主要以傳導(dǎo)干擾和近場干擾為主. 共模干擾和差模干擾是傳導(dǎo)干擾的2 種基本模態(tài),EMI 濾波器是目前使用最廣泛,也是最有效的開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾抑制方法之一. EMI 濾波器不但要抑制差模干擾,也必須抑制共模干擾,它的基本電路可以參照圖3.

交流輸入電路與電感L 和電容C 組成的低通濾波網(wǎng)絡(luò)相連,以抑制電網(wǎng)上來的電磁干擾,同時(shí)還對本身產(chǎn)生的電磁干擾有抑制作用,以保證電網(wǎng)不受污染. 圖3 中L1 為差模扼流線圈,L2 為共模扼流線圈,把串聯(lián)電感L1 分成2 部分串入相線和中線可盡量保證2 線的阻抗平衡,防止由于阻抗不平衡引起新的干擾. 共模扼流圈由2 個(gè)線圈對稱繞制而成,其特點(diǎn)是對網(wǎng)側(cè)工頻電流呈現(xiàn)較低阻抗,但對流經(jīng)的高頻共模干擾而言,等效阻抗卻很高.

EMI 濾波電路中的電感器件串入電路中對工作狀態(tài)不加干涉,而對差模和共模干擾起到抑制作用,它的結(jié)構(gòu)是在1 只磁芯上繞制2 個(gè)相同繞組的線圈,工作時(shí)將這2 個(gè)線圈分別串接在電源上,當(dāng)工作電流接通時(shí),磁芯中的磁動(dòng)勢相互抵消,因而磁芯材料不受任何影響,不必?fù)?dān)心其磁飽和. 在這次研制過程中,采用頻率特性好,導(dǎo)磁率高的鐵氧體材料.在該研制過程中,采用電感和電容組成π型濾波器,使得輸出電壓更加平滑,交流分量更少,考慮到電感器件中經(jīng)常有較大的直流電流成分,因而電感器件的鐵芯采用具有高飽和磁通密度的鐵粉芯材料制成.

2. 2 　電路結(jié)構(gòu)及工作原理

基于MC33262PFC 控制芯片的AC/ DC 變換器電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示. 圖中BD1 為整流橋,CY為干擾濾波電容,TR 為熱敏元件,ZD1 為穩(wěn)壓管,EC 為電解電容,VR 為壓敏元件, FUSE 為保險(xiǎn)絲,1～8分別表示芯片引腳號.