應(yīng)用于機(jī)載開關(guān)電源的功率因素校正電路設(shè)計(jì)

葉明剛

（西門子自動(dòng)化（成都）有限公司，四川 成都 611731)

1 電路系統(tǒng)綜述

360～800 Hz單相115 VAC輸入電源經(jīng)EMI電路、濾波電路和整流電路后，再經(jīng)PFC升壓變換電路，實(shí)現(xiàn)了輸入電流整形、功率因素校正和預(yù)穩(wěn)壓功能，為DC-DC變換提供了良好的直流供電和儲(chǔ)能[1]。PFC后的直流供電經(jīng)DC-DC變換電路的高頻變壓器、整流電路、輸出濾波電路和EMI電路，獲得了穩(wěn)定的隔離直流28 VDC穩(wěn)壓電壓。整個(gè)電源結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 電路系統(tǒng)

2 電路系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 寬頻供電低諧波輸入電流技術(shù)

機(jī)載開關(guān)電源不僅要滿載情況下滿足低電流諧波和高功率因數(shù)的要求，而且在半功率情況下也要滿足DO-160G中的輸入低電流諧波和高功率因數(shù)的要求。

通過輸入電流波形測(cè)試，按工頻標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的Boost APFC在50 Hz或60 Hz的頻率下基本檢測(cè)不到過零畸變的波形。但是，在較高電源輸入頻率下，如360 Hz或更高的狀態(tài)下，問題將變得非常嚴(yán)重，無法滿足RTCA DO-160G標(biāo)準(zhǔn)諧波的電流要求。

經(jīng)分析得出，電源輸入回路在不同頻率下存在不同的頻率特性。在較低的輸入頻率下，電路主要貢獻(xiàn)的是純電阻特性。隨著輸入頻率的增高，電路特性開始轉(zhuǎn)向容性。根據(jù)容性器件的固有特性可知，流過容性器件的電流相位要超前于其兩端電壓一定的角度。另外，由于二極管存在開啟電壓及單向?qū)ㄌ匦?，使得整流橋在換流過程中二極管不能迅速導(dǎo)通并實(shí)現(xiàn)換流，從而造成短時(shí)間的零電流狀態(tài)，引起零畸變問題。

電路設(shè)計(jì)時(shí)，將同時(shí)優(yōu)化功率電路和控制策略，調(diào)整電路的參數(shù)設(shè)計(jì)，滿足輸入電流諧波和功率因數(shù)的要求。但是，參數(shù)調(diào)整對(duì)電源的效率和電磁兼容有嚴(yán)重影響，必須綜合考慮、平衡各種效應(yīng)[2]。

2.2 高效率功率變換器技術(shù)開發(fā)

為了最大限度提高電源整機(jī)效率，PFC功率變換器和DC/DC變換器均采用臨界電流（CRM）工作模式，同時(shí)對(duì)兩部分電路的控制部分進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)輕載（空載）及輸出短路時(shí)的低功耗，提高電源的適應(yīng)性和可靠性。

3 CRM PFC工作原理

由于電源功率不大，功率電路常規(guī)采用的是DCM或者CRM工作模式。為了提高電源效率，本方案采用CRM工作模式。CRM模式的PFC工作原理框圖，如圖2所示。

圖2 CRM PFC原理框圖

組成CRM PFC電路的功能模塊主要包括誤差變壓器、乘法器、零電流檢測(cè)、電流整形網(wǎng)絡(luò)和控制邏輯。輸出電壓波形通過分壓電阻反饋至誤差放大器的同相輸入端，與2.5 V基準(zhǔn)電壓比較后，輸出誤差信號(hào)供給乘法器；經(jīng)全橋整流后的輸入電壓波形經(jīng)分壓電阻輸入至乘法器的另一端。由此，輸出電壓的近似直流波形與輸入電壓的全橋整流波形相乘后，由乘法器供給電流整形網(wǎng)絡(luò)作為開關(guān)電流波形的參考信號(hào)。電流整形網(wǎng)絡(luò)的另一個(gè)輸入端來自開關(guān)MOS管的取樣電阻，代表了功率回路中的電流形態(tài)。圖3的CRM波形中的Vref即是輸出電壓的近似直流波形與輸入電壓的全橋整流波形的乘積，Iinductor即取自于開關(guān)MOS管下端取樣電阻的電流波形。分析開關(guān)MOS管接通與斷開時(shí)的電流波形可知，當(dāng)MOS管接通時(shí)，Iinductor按一定斜率上升，上升至此時(shí)Vref的電平高度時(shí)，控制邏輯將開關(guān)MOS管斷開，Iinductor按一定斜率下降直至零。零電流檢測(cè)電路通過Boost主電感的副繞組檢測(cè)開關(guān)電流，當(dāng)檢測(cè)到電流為零時(shí)，觸發(fā)控制邏輯重新接通MOS管，然后Iinductor再重復(fù)上一過程。此種模式即為臨界導(dǎo)通模式CRM，電感的平均電流如圖3所示的Iavg，其平均值等于Iinductor的一半。

圖3 CRM電流波形圖

ST公司生產(chǎn)的L6563是同類PFC控制IC中最先進(jìn)的一種。L6563除具有傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)型CRM PFC控制器的一般特點(diǎn)外，還提供有附加功能，如THD最佳化、開/關(guān)控制、過電壓保護(hù)、反饋失效保護(hù)、電感器飽和檢測(cè)與保護(hù)功能等功能。

4 CRM PFC參數(shù)計(jì)算

PFC參數(shù)設(shè)計(jì)的第一步取決于交流輸入條件和產(chǎn)品對(duì)功耗的需求。以下限定了PFC的輸入條件及設(shè)計(jì)目標(biāo)。

輸入交流電壓：VINmin=90VacVINmax=135Vac

輸入交流頻率：360～800 Hz

PFC輸出電壓Vo=550 V，輸出功率P=55 W

設(shè)效率為0.9，開關(guān)頻率FSWmin=50 kHz，功率因素值PF=0.99。

4.1 電流計(jì)算

以下主要計(jì)算交流輸入電流均值IINrms，流過BOOST變壓器原邊的峰值電流ILpk、均值電流ILrms、交流電流ILac以及MOS管、二極管、整流橋所需承受的均值電流：IMOSrms、IDrms、IBrms。

輸入電流：IINrms=P/(VINmin×PF)=0.62 A；

電感電流：ILpk=2.828×IINrms=1.75 A；

ILrms=1.15×IINrms=0.72 A；

ILac=(ILrms2-IINrms2)1/2=0.37 A；

MOS管電流：IMOSrms=0.3×ILpk=0.53 A；

二極管電流：IDrms=0.29×ILpk=0.5 A；

整 流 橋 電 流：IBrms=0.707×IINrms=0.44 A，IBavg=0.45×IINrms=0.28 A。

4.2 BOOST電感設(shè)計(jì)

根據(jù)CRM模式，PFC電路電感值的計(jì)算公式為：

為了保證電路在輸入電壓頻率360～800 Hz范圍內(nèi)諧波滿足要求，取LP為450 μH。

4.3 主功率器件選型及功耗估算

以下對(duì)MOS管、二極管的具體參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，并推薦器件選型：

（a）MOS管的選擇要求：VDSmax＞500 V；ID＞ 8 A， 選 擇 ST的 STF12N50M2，VDSmax=500 V；ID=10 A，RDSONmax=0.38 mΩ。

導(dǎo)通損耗：PON=IMOSrms2×RDSONmax=0.1 W

容性損耗：Pcoss=0.5×Coss×V2×FSW=0.5 W

開關(guān)損耗：PSW=VMOS×IMOS×Tfall×FSW=1.2 W

總的損耗：PQ=PON+Pcoss+PSW=1.8 W

（b）二極管的選擇要求VRRM＞300 V，IF＞2 A。選擇銀河電器的MURSF460，VRRM=600 V，IF=4 A，VF=1.05 V。

二極管導(dǎo)通損耗：PD=IDrms×VF=0.5 W。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論

按照以上參數(shù)設(shè)計(jì)，實(shí)測(cè)開關(guān)電源的電壓與電流波形如圖4所示，棕色為電壓波形，綠色為電流波形，電流沒有明顯的畸變現(xiàn)象而且能夠很好地跟蹤電壓，從而達(dá)到提高功率因素的目的，滿足機(jī)載開關(guān)電源應(yīng)用的需求。

6 結(jié) 論

為防止裝置發(fā)生過補(bǔ)償現(xiàn)象，利用PLC模塊作為監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)，根據(jù)監(jiān)測(cè)的直流電流情況，通過控制邏輯自動(dòng)調(diào)節(jié)電源輸出的電流，保持中性點(diǎn)電流小于預(yù)設(shè)的定值，從而達(dá)到抑制直流偏磁的目的。模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試運(yùn)行的結(jié)果表明，裝置可以很好地平衡變壓器中性點(diǎn)直流電流，保證流入變壓器的直流電流在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)無誤動(dòng)，滿足實(shí)際工程需要的可靠性。

圖4 實(shí)測(cè)波形

參與文獻(xiàn)：

[1] 張陽輝.基于功率因素校正的可調(diào)正負(fù)開關(guān)電源設(shè)計(jì)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

[2] 黃濟(jì)青，黃小軍.通信高頻開關(guān)電源[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.