临界导电模式有源功率因数校正器的设计

　　APFC技术按照电感电流是否连续，可分为断续导电模式(DCM)、连续导电模式(CCM)和介于两者之间的临界导电模式(CRM)。CCM模式适合于较大功率输出，控制较复杂，且存在二极管反向恢复的问题。DCM模式的输入电流和输出电压的纹波比较大，因而开关损耗比较大，同时对负载有一定的影响。CRM模式既没有断续导电模式那么大的器件应力，也不存在连续导电模式所具有的二极管反向恢复问题，且输入平均电流与输入电压成线性关系。在中小功率(300 W以下)场合，采用临界导电模式的功率因数校正具有比较大的优势。文中推出的APFC系统采用美国摩托罗拉公司生产的MC33262专用集成控制芯片，并使其工作于临界导电模式(CRM)。

　　1 基于MC33262的APFC原理简介

　　用于实现APFC变换器的拓扑电路有Boost变换器、反激变换器和Boost-Buck变换器等，但由于Boost电路具有：有输入电感，可减小对输入滤波的要求；开关器件的电压不超过输出电压值；容易驱动等特殊优点，因此其应用最为广泛，这里的设计主要基于Boost变换器。

　　目前，用于实现临界导电模式的控制芯片有很多，由MC33262构成的采用Boost变换器的APFC电路。MC33262原理框图如图1所示。

　　在图1中，5脚是零电流检测输入端，接在变压器二次侧，因而检测到的是电感电流，即外电源流入负载的电流。当电感电流为零时，ZCD的输出翻转，将内部的RS触发器置“1”，7脚输出高电平，使Q1导通。外电源通过桥式整流，使变压器一次侧和Q1导通，电流流过变压器一次侧，将电能储存于电感中。当电感电流增大到一定值时，Q1又关断，这也是通过RS触发器进行控制的。1脚接PFC输出电压的分压，该电压经EMP放大后，与由3脚输入的电压分压值在MULT中相乘，MULT的输出与由4脚输入的Q1的电流比较。

　　当输入Q1的电流值大于MULT输出的电流值时，OIC输出电平翻转，将RS触发器置“0”，该电平由7脚输出，关断Q1。因此，MULT的输出电流即通过Q1的电流的门限值，该门限值随输入电压的变化而近似呈正弦规律变化。当Q1关断后，变压器一次侧的电流逐渐减小，当此电流接近零时，又导致ZCD的输出翻转，将RS触发器置“1”，Q1导通，重复以上过程。

　　当负载突然关断、启动或输出端出现浪涌时，会出现输出电压过高的情况，这时OVC会发挥保护作用。此时，过压保护器的输出电平发生翻转，将RS触发器置“0”，关断Q1。器件内设定的比较器门限电压为1．08 V。欠压锁定的作用在于监控电源正极电压。当8脚的电压Vcc低于下限值时，UVLO输出低电平，7脚也输出低电平，关断Q1。定时器的作用是在电感电流下降到零时启动Q1。

　　2 系统主要技术指标的设计

　　根据需要，设计了一个150 W PFC系统，其信号流程及信号波形如图3所示。其主要参数为：交流输入电压范围为175～265V；最大输出功率为150 W，若Boost电路的提升电压为400 V，则额定直流电流为375 mA；若转换效率为η=90％，则额定输入功率Pin=P0／η=167 W；最小开关频率选为fmin=25 kHz；输入偏移因子IDF=0．98；最大纹波峰一峰值为8 V。

　　3 电路主要参数的计算

　　3．1 电感L的计算

　　最低工作频率条件下所需的电感值可通过式(1)求得：

　　式中：Vin为稳压输人峰值电压最大值；Pin为输入功率最大值；fmin为开关频率最小值。将主要参数代入式(1)得：

　　L=544μH，在该设计中取L=550μH。

　　3．2 输入滤波电容的设计

　　输入滤波电容的主要作用是滤除输入端的高频噪音，其容量很小。但如果其取值太小，很难较好地滤除输入的高频噪音，另一方面其取值又不能太大，否则会引起较大的输入电压偏移。

　　3．2．1 输入滤波电容的下限值

　　输入滤波电容的下限值由输入滤波电容的最大纹波电压决定，可用式(2)计算：

　　式中：△Vcin(max)为滤波电容的最大纹波电压，一般情况下，该值可取小于最低输入电压峰值的5％。将主要参数代入式(2)得：

　　3．2．2 输入滤波电容的下限值

　　输入滤波电容的上限值由输入偏移因子IDF决定，可用下式计算：

　　输出电容的选择不但要考虑容值，还要考虑电压应力，由于电路的响应速度较慢，当负载突然变轻时，可能会引起输出电压的过冲现象，考虑到一定裕量，它的耐压可按大于输出过压保护点1．1VOVP来选取。在该电路设计中选择Co=220μF，耐压为450 V的电解电容。

　　3．4 功率开关管和输出二极管的选择

　　功率开关管与输出二极管的电流应力和电压应力都相同，下面分别计算两者的电流应力和电压应力。开关管和二极管的最大峰值电流：

　　开关管和输出二极管的电压应力需考虑输出过压保护点，因此其最大电压为：

　　在该电路设计中，选择功率场效应管IRF840作为开关管，其耐压为500 V，最大电流为8 A；选择快速恢复二极管MURl560作为输出二极管，其耐压为600 V，最大电流为15 A。

　　4 实验与结论

　　实验结果(见图4～图7)显示该AC／DC变换器在较宽广的输入电压范围下获得高度稳定的直流电压400 V输出；纹波峰一峰值在8 V以下；输出额定功率达150 W；满载下效率η=95％；功率因数λ≥0．99；输入电流总谐波畸变D<6％。目前，这种具有APFC电路的控制器已应用于电子镇流器产品中。

　　5 结 语

　　由MC33262构成的功率因数校正电路外围结构简单，电路元器件少，电路的体积和成本下降，提高了系统的可靠性。目前，这种APFC技术已经在开关电源、电子镇流器等诸多领域得到了应用。该APFC电路采用峰值电流控制方式，属于准连续电流模式，MOS-FET开关频率很高，这对EMI滤波电路的设计有较高的要求。不过该系列芯片与其他采用连续模式的APFC芯片相比有着较高的性价比，值得做进一步完善研究。