基于電荷控制方式的CCM反激PFC電路的設(shè)計(jì)

1　引言

　　由于用戶(hù)對(duì)電能質(zhì)量要求的提高,市場(chǎng)對(duì)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(yīng)用中BOOST變換器依靠現(xiàn)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?fù)?；在中小功率?yīng)用中，反激拓?fù)湟云浜?jiǎn)單靈活的特點(diǎn)較BOOST電路更具優(yōu)勢(shì)，它解決了隔離和軟啟動(dòng)及短路保護(hù)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(xù)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(shù)。但DCM模式有如下缺點(diǎn)：EMI濾波器過(guò)大；開(kāi)關(guān)應(yīng)力大：管子導(dǎo)通損耗大。

　　應(yīng)用電荷控制方式能準(zhǔn)確控制輸入的平均電流，使反激變換器工作于電流連續(xù)模式并獲得單位功率因數(shù)。


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(nèi)對(duì)流過(guò)主開(kāi)關(guān)管電流的檢測(cè)信號(hào)積分，得到表征輸入總電荷量的電壓信號(hào)，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(yīng)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(cè)并給電容Ct 充電，當(dāng)電容電壓增至Vc 時(shí)，S1斷開(kāi)，同時(shí)閉和S2對(duì)Ct放電，電壓Vt表征了一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)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(dāng)Vc 為工頻輸入電壓參考信號(hào)時(shí)，那么輸入的平均電流便嚴(yán)格的跟蹤輸入?yún)⒖嫉碾妷盒盘?hào)，即實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正功能。


3　功率電路和控制電路的參數(shù)設(shè)計(jì)

　　基于電荷控制方式，設(shè)計(jì)制作了一臺(tái)200w的反激PFC變換器，其完整的電路圖及參數(shù)如圖2所示。

　　下面將介紹其參數(shù)的設(shè)計(jì)方法。

　　變換器的輸入輸出指標(biāo)

　　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(shù)設(shè)計(jì)

　　功率部分主要是設(shè)計(jì)反激變壓器，根據(jù)給定參數(shù)設(shè)計(jì)匝比和激磁電感，以及開(kāi)關(guān)管峰值電流的最大值。

　　① 變壓器變比由主開(kāi)關(guān)管和整流管的最大電壓應(yīng)力確定:

　　

為主開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力，

為整流管的電壓應(yīng)力，對(duì)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(duì)應(yīng)的

　　② 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(duì)恒功率負(fù)載，輸入電流峰值最大，且為

　?、?相應(yīng)最大開(kāi)關(guān)電流為

　　3.2箝位電路設(shè)計(jì)

　　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(fù)雜，并且由于反向回流電流降低了輸入功率因數(shù)，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(fù)雜程度，這里選用一般的箝位電路RCD箝位。

　　經(jīng)測(cè)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(jì)算：

　　3.3、控制電路設(shè)計(jì)

　　控制電路采用PFC專(zhuān)用芯片UC3854和適當(dāng)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(hào)，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(zhuǎn)信號(hào)，將此信號(hào)送給UC3854的過(guò)流保護(hù)端子2腳，便得到對(duì)應(yīng)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(qū)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(xiàn)了對(duì)主開(kāi)關(guān)管電流的準(zhǔn)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(yàn)結(jié)果

　　本文試制了一臺(tái)樣機(jī)，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如圖4所示，當(dāng)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(shù)半載時(shí)達(dá)0.990，滿(mǎn)載時(shí)達(dá)到0.992。

5　總結(jié)

　　本文介紹了電荷控制的基本原理，并將電荷控制方式應(yīng)用于CCM反激功率因數(shù)校正電路中，并給出了電路設(shè)計(jì)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(hù)的問(wèn)題

　　(4)輸出功率因管子的電壓、電流應(yīng)力過(guò)大而受到限制

　　變壓器漏感能量是引起管子電壓應(yīng)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(xiàn)

[1]W.Tang,Y.M.Jiang,G.Hua,F.C.Lee,“Power factor correction with flyback converter employing charge control,”VPEC Power Electron.Sem.Proc,pp91-96,1992

[2]張占松，蔡宣三。開(kāi)關(guān)電源的原理與設(shè)計(jì)[M]。北京：電子工業(yè)出版社，1999