有源功率因数校正前置升压变换器的设计应用

1 引言                                 

提高开关电源的功率因数，不仅可以节能，还可以减少电网的谐波污染，提高了电网的供电质量。为此研究出多种提高功率因数的方法，其中，有源功率因数校正技术（简称APFC）就是其中的一种有效方法，它是通过在电网和电源之间串联加入功率因数校正装置，目前最常用的为单相BOOST前置升压变换器Ô­理，它由专用芯片实现的，且具有高效率，电路简单，成本低廉等优点，本文介绍的低成本零点流型APFC控制芯片FAN7528N即可实现该功能。

2  FAN7528的电路特点

2.1 如图1所示，FAN7528N DIP8封装，也有SMD封装（FAN7528M），内部含有自启动定时器，正交倍增器，零电流检测器，图腾柱驱动输出、过压、过流、欠压保护等电路。 

2.2 FAN7528 PFC控制芯片的性能特点

该芯片的最大特点是采用零电流导通变频控制模式，其它性能特点如下：

« 内置启动定时电路；

« 内置R/C滤波器，可省掉外部R/C；

« 过压及欠压比较器；

« 零电流检测器；

« 单象限乘法器；

« 1.5％的内部可调整的带宽；

« 低启动电流及低工作电流

FAN7528是一个引脚简单，高性能的有源功率因数校正芯片。它是被优化的，稳定的，低功耗，高密度的电源芯片，且外围元器件少，节省了PCB布线空间。内置R/C滤波器，抗干扰能力强，对抑制轻载漂移现象增加了特殊电路。对辅助电源范围不要求，输出图腾驱动电路限制了功率MOSFET短路的危险，极大地提高了系统的可靠性。

3 有源功率因数校正原­理设计

3.1如图2所示控制芯片采用FAN7528，功率MOSFET Q1的通、断受控于FAN7528N的零点流检测器，当零电流检测器中的电流降为零时，即升压二极管D1中的电流为零时，Q1导通，此时的电感L开始储能，电流控制波形如图3所示，这种零电流控制模式有以下优点：

« 由于储能电感中的电流为零时，Q1才能导通，这样就大大减少了MOSFET的开关应力和损耗，同时对升压二极管的恢复时间没有严格的要求，另一方面免除了由于二极管恢复时间过长引起的开关损耗，增加了开关管的可靠性。

« 由于开关管的驱动脉冲时间无死区，所以输入电流是连续的并呈正弦波，这样大大提高了系统的功率因数。

3.2 应用设计举例

技术要求：

« 输入电网电压范围：AC90V-265V

« 输出直流电压： DC400V

« 输出功率：150W

PFC电感的设计

确定磁芯的型号

磁芯选用：EI40材料：PC40(A_L=4860±25%)nH/N²

输出功率：P₀=V₀I₀ 式中V₀为输出电压，I₀为输出电流

计算电感的峰值电流I_pk(η₁=0.98)

I_pk=2V₀I₀/(η₁×V_in(peak))，将输入电压V_in=85V，264V分别代入求得，

I_pk1=2.71A，I_pk2=0.87A

计算电感的电感量L(设定最小开关频率f_sw(min)=33kHz)

L=η₁/(4 f_sw(min) V₀I₀(1/V²_in(peak)+1/ (V_in(peak)( V₀- V_in(peak))))，将V_in=85V，IV_in=264V分别代入上式求得，L₁=560μH，L₂=530μH，实际取L=535︿550μH电感的电气原理图：如图４所示    

升压MOSFET的选择：

计算流过MOSFET的最大有效值电流I_Qrms

I_Qrms=2√2 V₀I_0(max)/(η₁×_Vin(LL))×(1/6-4√2 V_in(LL)/(9π×V₀))^1/2

代入相关数值得，I_Qrms=0.955A

故流过MOSFET的峰值电流取为I_pk =1.2×I_Qrms=1.15A

计算MOSFET所承受的最大反向电压V_DS(max)

V_DS(max)=1.2×264×√2=450V

确定MOSFET的规格型号

根据I_pk、V_DS(max)及降低功耗的Ô­则，选用Fairchild的MOSFET,其型号及技术指标如下：

FQP13N50，V_DSS=500V，I_D=12.5A，R_DS(on)=0.43Ω，P_D=170W  TO-3P

升压二极管的选择：

计算流过二极管的平均电流I_Davg

I_Davg=I_0(max)=0.4075A

故流过二极管的峰值电流取为I_pk =1.2×I_0(max)=0.489A

计算二极管的最大反向电压V_R(max)

V_R(max)=1.2×V₀=480V

确定二极管的规格型号

根据I_pk、V_R(max)，选用IXYS的HiPerFREDT^M二极管，其型号及技术指标如下：

DSEP 6-06AS，V_RRM=600V，I_FAV=6A，P_tot=55W，TO-252 A

整流桥的选择

计算整流桥所承受的最大反向电压V_R(max)

V_R(max)=√2×V_in(max)=375V

计算流过整流桥的有效电流I_rms

I_rms=P_in/V_(in-max)rms=1.36A

故流过整流桥的最大电流值：1.4×I_rms=1.90A

确定整流桥的规格型号

根据上述条件选用RECTRON的整流桥，其规格型号及技术指标如下：

RS406L，V_RRM=600V，6A

其它参数按常规APFC，参照FAN7527使用说明，此处略。

如图５所示FAN7528N在APFC前置变换器中的应用电路

4 使用FAN7528的问题及解决方法

« PFC中的自举二极管速度越快越好；

« 注意MOSFET的源极与地线的连接，减少谐振的发生；

« PFC升压后高压电容的容量要够，尽量采用标准值；

« 整流桥后的金属化薄膜电容调整可以改变谐振；

« FAN7528的1脚和3脚之间加R/C，适当调整参数可以减少轻载不稳定；

« FAN7528的1脚和2脚之间的电容值影向启动时间；

« 该芯片在使用中发现，有很多优点，也有缺点。

5 结语

该设计¾­多次反复试验，PFC升压电感参数调整，及其它外围参数设计试验确定，功率MOSFET等器件的计算，已成功设计出150W升压前置变换器，且后级设计DC-DC，已成功用于24VDC/5A输出，120W功率因数校正开关电源，功率因数高达0.998,整机效率高达88%。

按照此方案还可以设计出200W-300W功率电源。实践证明该方案是可行的，有一定的应用价值。

参考文献：

[1] FAN7528N使用手册及应用设计，2007年2月

[2] 赵珂，苏达义 MC34262系列PFC控制芯片的应用研究［J］。电源技术应用，2001年，第1•2期：  P36-38。