有源功率因數(shù)校正前置升壓變換器的設(shè)計(jì)應(yīng)用
時(shí)間：2011-09-14 06:46:13
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有源功率因數(shù)
升壓變換器
功率因數(shù)校正
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[導(dǎo)讀] 1 引言 提高開(kāi)關(guān)電源的功率因數(shù)，不僅可以節(jié)能，還可以減少電網(wǎng)的諧波污染，提高了電網(wǎng)的供電質(zhì)量。為此研究出多種提高功率因數(shù)的方法，其中，有源功率因數(shù)校正技術(shù)（簡(jiǎn)稱APFC）就
1 引言
提高開(kāi)關(guān)電源的功率因數(shù)，不僅可以節(jié)能，還可以減少電網(wǎng)的諧波污染，提高了電網(wǎng)的供電質(zhì)量。為此研究出多種提高功率因數(shù)的方法，其中，有源功率因數(shù)校正技術(shù)（簡(jiǎn)稱APFC）就是其中的一種有效方法，它是通過(guò)在電網(wǎng)和電源之間串聯(lián)加入功率因數(shù)校正裝置，目前最常用的為單相BOOST前置升壓變換器Ô理，它由專用芯片實(shí)現(xiàn)的，且具有高效率，電路簡(jiǎn)單，成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，本文介紹的低成本零點(diǎn)流型APFC控制芯片F(xiàn)AN7528N即可實(shí)現(xiàn)該功能。
2 FAN7528的電路特點(diǎn)
2.1 如圖1所示，F(xiàn)AN7528N DIP8封裝，也有SMD封裝（FAN7528M），內(nèi)部含有自啟動(dòng)定時(shí)器，正交倍增器，零電流檢測(cè)器，圖騰柱驅(qū)動(dòng)輸出、過(guò)壓、過(guò)流、欠壓保護(hù)等電路。
2.2 FAN7528 PFC控制芯片的性能特點(diǎn)
該芯片的最大特點(diǎn)是采用零電流導(dǎo)通變頻控制模式，其它性能特點(diǎn)如下：
« 內(nèi)置啟動(dòng)定時(shí)電路；
« 內(nèi)置R/C濾波器，可省掉外部R/C；
« 過(guò)壓及欠壓比較器；
« 零電流檢測(cè)器；
« 單象限乘法器；
« 1.5％的內(nèi)部可調(diào)整的帶寬；
« 低啟動(dòng)電流及低工作電流
FAN7528是一個(gè)引腳簡(jiǎn)單，高性能的有源功率因數(shù)校正芯片。它是被優(yōu)化的，穩(wěn)定的，低功耗，高密度的電源芯片，且外圍元器件少，節(jié)省了PCB布線空間。內(nèi)置R/C濾波器，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)抑制輕載漂移現(xiàn)象增加了特殊電路。對(duì)輔助電源范圍不要求，輸出圖騰驅(qū)動(dòng)電路限制了功率MOSFET短路的危險(xiǎn)，極大地提高了系統(tǒng)的可靠性。
3 有源功率因數(shù)校正原理設(shè)計(jì)
3.1如圖2所示控制芯片采用FAN7528，功率MOSFET Q1的通、斷受控于FAN7528N的零點(diǎn)流檢測(cè)器，當(dāng)零電流檢測(cè)器中的電流降為零時(shí)，即升壓二極管D1中的電流為零時(shí)，Q1導(dǎo)通，此時(shí)的電感L開(kāi)始儲(chǔ)能，電流控制波形如圖3所示，這種零電流控制模式有以下優(yōu)點(diǎn)：
« 由于儲(chǔ)能電感中的電流為零時(shí)，Q1才能導(dǎo)通，這樣就大大減少了MOSFET的開(kāi)關(guān)應(yīng)力和損耗，同時(shí)對(duì)升壓二極管的恢復(fù)時(shí)間沒(méi)有嚴(yán)格的要求，另一方面免除了由于二極管恢復(fù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起的開(kāi)關(guān)損耗，增加了開(kāi)關(guān)管的可靠性。
« 由于開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖時(shí)間無(wú)死區(qū)，所以輸入電流是連續(xù)的并呈正弦波，這樣大大提高了系統(tǒng)的功率因數(shù)。
3.2 應(yīng)用設(shè)計(jì)舉例
技術(shù)要求：
« 輸入電網(wǎng)電壓范圍：AC90V-265V
« 輸出直流電壓： DC400V
« 輸出功率：150W
PFC電感的設(shè)計(jì)
確定磁芯的型號(hào)
磁芯選用：EI40材料：PC40(AL=4860±25%)nH/N2
輸出功率：P0=V0I0 式中V0為輸出電壓，I0為輸出電流
計(jì)算電感的峰值電流Ipk(η1=0.98)
Ipk=2V0I0/(η1×Vin(peak))，將輸入電壓Vin=85V，264V分別代入求得，
Ipk1=2.71A，Ipk2=0.87A
計(jì)算電感的電感量L(設(shè)定最小開(kāi)關(guān)頻率fsw(min)=33kHz)
L=η1/(4 fsw(min) V0I0(1/V2in(peak)+1/ (Vin(peak)( V0- Vin(peak))))，將Vin=85V，IVin=264V分別代入上式求得，L1=560μH，L2=530μH，實(shí)際取L=535︿550μH電感的電氣原理圖：如圖４所示
升壓MOSFET的選擇：
計(jì)算流過(guò)MOSFET的最大有效值電流IQrms
IQrms=2√2 V0I0(max)/(η1×Vin(LL))×(1/6-4√2 Vin(LL)/(9π×V0))1/2
代入相關(guān)數(shù)值得，IQrms=0.955A
故流過(guò)MOSFET的峰值電流取為Ipk =1.2×IQrms=1.15A
計(jì)算MOSFET所承受的最大反向電壓VDS(max)
VDS(max)=1.2×264×√2=450V
確定MOSFET的規(guī)格型號(hào)
根據(jù)Ipk、VDS(max)及降低功耗的Ô則，選用Fairchild的MOSFET,其型號(hào)及技術(shù)指標(biāo)如下：
FQP13N50，VDSS=500V，ID=12.5A，RDS(on)=0.43Ω，PD=170W TO-3P
升壓二極管的選擇：
計(jì)算流過(guò)二極管的平均電流IDavg
IDavg=I0(max)=0.4075A
故流過(guò)二極管的峰值電流取為Ipk =1.2×I0(max)=0.489A
計(jì)算二極管的最大反向電壓VR(max)
VR(max)=1.2×V0=480V
確定二極管的規(guī)格型號(hào)
根據(jù)Ipk、VR(max)，選用IXYS的HiPerFREDTM二極管，其型號(hào)及技術(shù)指標(biāo)如下：
DSEP 6-06AS，VRRM=600V，IFAV=6A，Ptot=55W，TO-252 A
整流橋的選擇
計(jì)算整流橋所承受的最大反向電壓VR(max)
VR(max)=√2×Vin(max)=375V
計(jì)算流過(guò)整流橋的有效電流Irms
Irms=Pin/V(in-max)rms=1.36A
故流過(guò)整流橋的最大電流值：1.4×Irms=1.90A
確定整流橋的規(guī)格型號(hào)
根據(jù)上述條件選用RECTRON的整流橋，其規(guī)格型號(hào)及技術(shù)指標(biāo)如下：
RS406L，VRRM=600V，6A
其它參數(shù)按常規(guī)APFC，參照FAN7527使用說(shuō)明，此處略。
如圖５所示FAN7528N在APFC前置變換器中的應(yīng)用電路
4 使用FAN7528的問(wèn)題及解決方法
« PFC中的自舉二極管速度越快越好；
« 注意MOSFET的源極與地線的連接，減少諧振的發(fā)生；
« PFC升壓后高壓電容的容量要夠，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)值；
« 整流橋后的金屬化薄膜電容調(diào)整可以改變諧振；
« FAN7528的1腳和3腳之間加R/C，適當(dāng)調(diào)整參數(shù)可以減少輕載不穩(wěn)定；
« FAN7528的1腳和2腳之間的電容值影向啟動(dòng)時(shí)間；
« 該芯片在使用中發(fā)現(xiàn)，有很多優(yōu)點(diǎn)，也有缺點(diǎn)。
5 結(jié)語(yǔ)
該設(shè)計(jì)¾多次反復(fù)試驗(yàn)，PFC升壓電感參數(shù)調(diào)整，及其它外圍參數(shù)設(shè)計(jì)試驗(yàn)確定，功率MOSFET等器件的計(jì)算，已成功設(shè)計(jì)出150W升壓前置變換器，且后級(jí)設(shè)計(jì)DC-DC，已成功用于24VDC/5A輸出，120W功率因數(shù)校正開(kāi)關(guān)電源，功率因數(shù)高達(dá)0.998,整機(jī)效率高達(dá)88%。
按照此方案還可以設(shè)計(jì)出200W-300W功率電源。實(shí)踐證明該方案是可行的，有一定的應(yīng)用價(jià)值。
參考文獻(xiàn)：
[1] FAN7528N使用手冊(cè)及應(yīng)用設(shè)計(jì)，2007年2月
[2] 趙珂，蘇達(dá)義 MC34262系列PFC控制芯片的應(yīng)用研究［J］。電源技術(shù)應(yīng)用，2001年，第1•2期： P36-38。
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