臨界模式APFC電路設(shè)計(jì)與仿真

鐘鑫

摘要：為抑制電網(wǎng)的諧波污染，有源功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)的使用是必要的，分析了臨界導(dǎo)通模式的原理和優(yōu)勢(shì)，對(duì)三種主流控制方法進(jìn)行了簡(jiǎn)要對(duì)比，最終以L6562為核心元件設(shè)計(jì)了一種390V/250W的新型APFC控制電路。借助Saber軟件搭建仿真電路進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明該電路的功率因數(shù)能夠接近于1，能有效抑制電流諧波，提高電源利用效率。

關(guān)鍵詞：臨界導(dǎo)電模式;PFC;諧波污染;功率因數(shù);L6552

中圖分類號(hào)：TP62+2? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2021）02-0214-03

1 引言

采用橋式整流和大容量濾波電路的開關(guān)電源（SMPS）、電子鎮(zhèn)流器和交流變頻調(diào)速器，因?yàn)檎鳂蚝笫褂昧舜笕萘康碾娙葸M(jìn)行濾波，所以整流橋中的二極管只有在交流輸入電壓的瞬時(shí)幅值大于橋后電容上的電壓時(shí)，才能從截止?fàn)顟B(tài)改變?yōu)閷?dǎo)通狀態(tài)[1]。輸入電壓波形畸變微小，但是在極短的導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，交流輸入電流會(huì)出現(xiàn)尖峰脈沖，畸變相當(dāng)嚴(yán)重，電流波形基波含量很低，而其次諧波含量非常高。

抑制電網(wǎng)諧波污染的方案主要分為兩種：第一種是從電網(wǎng)側(cè)解決，配備濾波器包含有源濾波器（APF）與無(wú)源濾波器（PPF）;第二種是從裝置側(cè)解決，采用功率因數(shù)校正電路（PFC），主要分為有源功率因數(shù)校正技術(shù)（APFC）和無(wú)源功率因數(shù)校正技術(shù)（PPFC），APFC電路使用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)（SPWM），輸入電流能夠?qū)崟r(shí)跟蹤輸入電壓，高效地防止電流發(fā)生畸變，是現(xiàn)在常用的諧波抑制方案[2]。本文選用工作在臨界模式的功率因數(shù)控制器L6562設(shè)計(jì)了一種具有高功率因數(shù)的升壓PFC電路。

2 CRM-PFC電路分析

2.1 CRM-PFC電路基本工作原理

在圖1所示的CRM-PFC簡(jiǎn)化電路中，輸入電壓經(jīng)過檢測(cè)后取樣到乘法器;直流電壓輸出后經(jīng)電阻分壓取樣，輸入到誤差放大器反相端，與同相基準(zhǔn)電壓對(duì)比，生成一個(gè)電壓誤差信號(hào)，再反饋到乘法器的另一端。乘法器的輸出信號(hào)與電流感測(cè)電阻Rs上獲取的電壓信號(hào)共同輸入電流比較檢查器，產(chǎn)生一個(gè)正弦信號(hào)，作為PWM控制的參考信號(hào)。通過由乘法器的輸出對(duì)電流檢查比較器門限的控制，可迫使電感電流峰值緊密跟隨交流輸入電壓變化的瞬時(shí)軌跡。

功率開關(guān)管VT1經(jīng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)開通，升壓二極管VD1則處于截止?fàn)顟B(tài)，這個(gè)時(shí)候流過電感的電流開始線性上升。只要電流感測(cè)電阻Rs上的電壓信號(hào)大于電流比較檢查器的參考電平，檢查器則改變輸出狀態(tài)，輸出信號(hào)關(guān)閉VT1，升壓電感中儲(chǔ)存的能量開始輸出，二極管處于正向?qū)顟B(tài)，在這期間，電感器中的電流從最大值逐漸線性下降。電感電流一放完，用作高靈敏度傳感器的副邊繞組則會(huì)檢測(cè)到過零信號(hào)，門級(jí)驅(qū)動(dòng)器輸出信號(hào)讓VT1再次開通，進(jìn)入下一個(gè)開關(guān)周期，又循環(huán)重復(fù)之前的充放電過程。兩個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，會(huì)出現(xiàn)電感電流為零的點(diǎn)，但不是電感電流為零的死區(qū)。SPWM邏輯控制電路同時(shí)受到電流比較檢查器和零電流檢測(cè)器的控制，能夠保證在同一瞬間只存在一種狀態(tài)的參考信號(hào)。

2.2 CRM-PFC控制技術(shù)特點(diǎn)

臨界導(dǎo)電模式PFC控制技術(shù)有如下優(yōu)勢(shì)：

1） 電路結(jié)構(gòu)不復(fù)雜，方案成熟，在中小功率的熒光燈及低功率金鹵燈和高壓鈉燈電子鎮(zhèn)流器中得到廣泛應(yīng)用;

2） 在每一個(gè)開關(guān)周期之內(nèi)，電感電流呈三角波。從兩個(gè)開關(guān)周期來(lái)看，期間電感電流會(huì)降至零點(diǎn)，但是由于間隙時(shí)間極短，所以并不是死區(qū)。電感電流峰值的最大值不超過在平均輸入電流最大值的2倍，因此，功率元器件可選擇大量適用于小電流容量的器件;

3） 在功率因數(shù)校正升壓變換器的輸出端，可以輸出經(jīng)過調(diào)節(jié)的穩(wěn)定直流電壓，紋波波動(dòng)小、紋波為正弦波形狀，頻率為輸入交流電的兩倍;

4） 開關(guān)管的開啟和關(guān)斷時(shí)間不是恒定不變的，它與交流輸入電壓的波形軌跡密切相關(guān)。AC輸入電壓從零點(diǎn)上升到最大值的階段，開關(guān)頻率是緩慢降低的，在交流電壓過零附近，開關(guān)頻率最高，這會(huì)使EMI濾波器的應(yīng)用更加困難;

5） 滿足寬范圍交流電壓輸入要求，諧波含量完全符合歐洲IEC-1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)。臨界導(dǎo)通模式功率因數(shù)校正技術(shù)采用零電流開關(guān)峰值電流控制技術(shù)，在中小功率場(chǎng)合，尤其是在40～150W的電子鎮(zhèn)流器和開關(guān)電源中應(yīng)用及其廣泛。在CRM工作的功率因數(shù)控制集成芯片種類也多，價(jià)格也相對(duì)較低。

斷續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）控制技術(shù)工作開關(guān)頻率不變，輸入峰值電流能夠很好地跟蹤輸入電壓，但是輸出功率較小，對(duì)元器件要求高，電流有一定的失真。連續(xù)導(dǎo)電模式（CCM）控制模式可應(yīng)用在大功率場(chǎng)合，但尖峰電流會(huì)給二極管帶來(lái)極大損耗，影響整個(gè)電路工作效率。電路工作在CRM狀態(tài)下，則各方面表現(xiàn)最為理想，對(duì)器件要求也沒那么苛刻，也可以避免二極管反向恢復(fù)問題，并且輸入平均電流和輸入電壓呈線性關(guān)系。因此，采用CRM-PFC控制技術(shù)在300W以下中小功率的應(yīng)用中優(yōu)勢(shì)明顯，并且市場(chǎng)份額大，所以對(duì)臨界導(dǎo)電模式下的功率因數(shù)校正技術(shù)開展研究具有非凡的意義。

3 L6562芯片介紹

ST公司研發(fā)的L6562芯片是價(jià)格較低低的PFC控制器，是一種電流模式并工作在臨界導(dǎo)通狀態(tài)的低THD控制集成電路。采用8引腳DIP和8引腳SO封裝，常應(yīng)用于電視、個(gè)人電腦，和監(jiān)視器的開關(guān)電源、高端AC/DC適配器、服務(wù)器等。

3.1 L6562引腳功能描述

L6562引腳功能如下所示。

INV：電壓誤差放大器的反相輸入端。接入分壓電阻器來(lái)獲取輸出電壓信息并與此引腳相連接。

COMP：誤差放大器的輸出端。這個(gè)引腳和INV引腳形成了補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，使輸出電壓閉環(huán)網(wǎng)絡(luò)的控制更加穩(wěn)定，并且可以確保高功率因數(shù)和極低的總諧波失真（THD）。

MULT：乘法器的輸入端。采樣電阻獲取整流后的輸入電壓波形，反饋給此引腳，給電流環(huán)提供正弦參考信號(hào)。

CS：PWM比較器輸入端。流過電感的電流會(huì)通過一個(gè)電阻感測(cè)到，輸入到此引腳，再與乘法器生成的內(nèi)部正弦信號(hào)比較，判斷MOS管是否關(guān)斷。

ZCD：臨界模式升壓電感退磁感應(yīng)輸入端。該引腳檢測(cè)電感電流的下降沿，判斷是否觸發(fā)MOS管開啟。

GND：接地端，芯片所有信號(hào)和門級(jí)驅(qū)動(dòng)都以此地為參考。

GD：門級(jí)驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出端。一般在該引腳與開關(guān)管柵極間連接一個(gè)阻值很小的電阻，可避免開關(guān)管震蕩。

VCC：為芯片信號(hào)部分和門級(jí)驅(qū)動(dòng)提供電壓。最大供電電壓為22V，可適應(yīng)較寬范圍的電源電壓。

4主電路參數(shù)計(jì)算

主電路參數(shù)按照以下指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)：變換器最大輸出功率Po=250W;AC輸入電壓范圍Virms=198V～242V;DC輸出電壓Vo=390V;整個(gè)變換器效率η=90%。

4.1升壓電感

在Boost升壓電路中，為了有效防止出現(xiàn)噪聲，開關(guān)頻率必須大于20kHz。輸出功率和最小開關(guān)頻率由電感值的大小決定：

本文設(shè)定最小開關(guān)頻率[fsw（min）]=25kHz，高于音頻范圍（20Hz～20kHz），可避免噪聲干擾，將相關(guān)數(shù)據(jù)代入便求得電感值，綜合考慮，選取L=500uH。

4.2輸入電容

用來(lái)濾除高頻成分，取值過大過小都會(huì)對(duì)電路造成一定影響。電容值與最小開關(guān)頻率和前級(jí)紋波大小相關(guān)，紋波一般不大于等效阻抗最小值的5%，經(jīng)相關(guān)變換可得出公式，即：

綜合考慮，選取C1=1μF。

4.3輸出電容

在選擇升壓型有源功率因數(shù)校正電路的輸出電容時(shí)，一般有以下幾個(gè)要求：體積小，耐壓水平高，能夠承受高溫，能夠承受并吸收一定的紋波電流。考慮到直流輸出電壓的大小，一般選擇額定耐壓值450V的電解電容。

輸出電容的大小與輸出紋波電壓峰值Vp-p、輸出電流[Io]相關(guān)，可按下式進(jìn)行計(jì)算：

式中[fac]為輸入交流電頻率，Vp-p一般取輸出電壓的5%，綜合考慮，選取C3=150μF。

5仿真校驗(yàn)

使用Synopsys公司的一款EDA軟件Saber搭建仿真原理圖，如下圖2所示。

各項(xiàng)參數(shù)根據(jù)計(jì)算設(shè)置為：輸入電壓220V，輸入頻率50Hz，升壓電感0.5mH，輸入電容1μF，輸出電容150μF，負(fù)載610Ω，其他外圍器件可查詢芯片手冊(cè)確定。

變換器的輸入電壓和輸入電流仿真波形如圖3所示，可以看出：隨著輸入電壓的變化，輸入電流緊密跟隨，基本趨近于同相位，功率因數(shù)近似為1。圖4為輸出電壓波形，可以看出：輸出電壓平均值約為389.01V，紋波峰峰值約為20.13V。輸出功率波形如圖5所示，輸出功率約為246.2W，由此可得變換器效率約為96%，總體達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)效果。

6結(jié)論

在分析臨界模式功率因數(shù)校正原理的基礎(chǔ)上，對(duì)APFC主電路參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，以L6562這一臨界導(dǎo)電模式控制芯片為核心對(duì)仿真電路進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，結(jié)果表明該電路在中小功率的場(chǎng)合，能在很大程度上改善電源的功率因數(shù)，降低諧波污染。

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【通聯(lián)編輯：光文玲】