有源功率因數(shù)校正前置升壓變換器的設(shè)計應用
1 引言
提高開關(guān)電源的功率因數(shù),不僅可以節(jié)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(shù)的方法,其中,有源功率因數(shù)校正技術(shù)(簡稱APFC)就是其中的一種有效方法,它是通過在電網(wǎng)和電源之間串聯(lián)加入功率因數(shù)校正裝置,目前最常用的為單相BOOST前置升壓變換器Ô理,它由專用芯片實現(xiàn)的,且具有高效率,電路簡單,成本低廉等優(yōu)點,本文介紹的低成本零點流型APFC控制芯片F(xiàn)AN7528N即可實現(xiàn)該功能。
2FAN7528的電路特點
2.1 如圖1所示,F(xiàn)AN7528N DIP8封裝,也有SMD封裝(FAN7528M),內(nèi)部含有自啟動定時器,正交倍增器,零電流檢測器,圖騰柱驅(qū)動輸出、過壓、過流、欠壓保護等電路。
2.2 FAN7528 PFC控制芯片的性能特點
該芯片的最大特點是采用零電流導通變頻控制模式,其它性能特點如下:
« 內(nèi)置啟動定時電路;
« 內(nèi)置R/C濾波器,可省掉外部R/C;
« 過壓及欠壓比較器;
« 零電流檢測器;
« 單象限乘法器;
« 1.5%的內(nèi)部可調(diào)整的帶寬;
« 低啟動電流及低工作電流
FAN7528是一個引腳簡單,高性能的有源功率因數(shù)校正芯片。它是被優(yōu)化的,穩(wěn)定的,低功耗,高密度的電源芯片,且外圍元器件少,節(jié)省了PCB布線空間。內(nèi)置R/C濾波器,抗干擾能力強,對抑制輕載漂移現(xiàn)象增加了特殊電路。對輔助電源范圍不要求,輸出圖騰驅(qū)動電路限制了功率MOSFET短路的危險,極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。
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的零點流檢測器,當零電流檢測器中的電流降為零時,即升壓二極管D1中的電流為零時,Q1導通,此時的電感L開始儲能,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:
« 由于儲能電感中的電流為零時,Q1才能導通,這樣就大大減少了MOSFET的開關(guān)應力和損耗,同時對升壓二極管的恢復時間沒有嚴格的要求,另一方面免除了由于二極管恢復時間過長引起的開關(guān)損耗,增加了開關(guān)管的可靠性。
« 由于開關(guān)管的驅(qū)動脈沖時間無死區(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)。
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(shè)計
確定磁芯的型號
磁芯選用:EI40材料:PC40(AL=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Ipk(η1=0.98)
Ipk=2V0I0/(η1×Vin(peak)),將輸入電壓Vin=85V,264V分別代入求得,
Ipk1=2.71A,Ipk2=0.87A
計算電感的電感量L(設(shè)定最小開關(guān)頻率fsw(min)=33kHz)
L=η1/(4 fsw(min) V0I0(1/V2in(peak)+1/ (Vin(peak)( V0- Vin(peak)))),將Vin=85V,IVin=264V分別代入上式求得,L1=560μH,L2=530μH,實際取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MOSFET的最大有效值電流IQrms
IQrms=2√2 V0I0(max)/(η1×Vin(LL))×(1/6-4√2 Vin(LL)/(9π×V0))1/2
代入相關(guān)數(shù)值得,IQrms=0.955A
故流過MOSFET的峰值電流取為Ipk =1.2×IQrms=1.15A
計算MOSFET所承受的最大反向電壓VDS(max)
VDS(max)=1.2×264×√2=450V
確定MOSFET的規(guī)格型號
根據(jù)Ipk、VDS(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,VDSS=500V,ID=12.5A,RDS(on)=0.43Ω,PD=170WTO-3P
升壓二極管的選擇:
計算流過二極管的平均電流IDavg
IDavg=I0(max)=0.4075A
故流過二極管的峰值電流取為Ipk =1.2×I0(max)=0.489A
計算二極管的最大反向電壓VR(max)
VR(max)=1.2×V0=480V
確定二極管的規(guī)格型號
根據(jù)Ipk、VR(max),選用IXYS的HiPerFREDTM二極管,其型號及技術(shù)指標如下:
DSEP 6-06AS,VRRM=600V,IFAV=6A,Ptot=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VR(max)
VR(max)=√2×Vin(max)=375V
計算流過整流橋的有效電流Irms
Irms=Pin/V(in-max)rms=1.36A
故流過整流橋的最大電流值:1.4×Irms=1.90A
確定整流橋的規(guī)格型號
根據(jù)上述條件選用RECTRON的整流橋,其規(guī)格型號及技術(shù)指標如下:
RS406L,VRRM=600V,6A
其它參數(shù)按常規(guī)APFC,參照FAN7527使用說明,此處略。
4 使用FAN7528的問題及解決方法
« 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(diào)整可以改變諧振;
« FAN7528的1腳和3腳之間加R/C,適當調(diào)整參數(shù)可以減少輕載不穩(wěn)定;
« FAN7528的1腳和2腳之間的電容值影向啟動時間;
« 該芯片在使用中發(fā)現(xiàn),有很多優(yōu)點,也有缺點。
5 結(jié)語
該設(shè)計¾多次反復試驗,PFC升壓電感參數(shù)調(diào)整,及其它外圍參數(shù)設(shè)計試驗確定,功率MOSFET等器件的計算,已成功設(shè)計出150W升壓前置變換器,且后級設(shè)計DC-DC,已成功用于24VDC/5A輸出,120W功率因數(shù)校正開關(guān)電源,功率因數(shù)高達0.998,整機效率高達88%。
按照此方案還可以設(shè)計出200W-300W功率電源。實踐證明該方案是可行的,有一定的應用價值。
參考文獻:
[1] FAN7528N使用手冊及應用設(shè)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。
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