單級(jí)功率因數(shù)校正（PFC）變換器的設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種單級(jí)功率因數(shù)校正（PFC）變換器，重點(diǎn)討論了變換器的主要設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：變換器；單級(jí)功率因數(shù)校正；設(shè)計(jì)

1 引言

為了減少對(duì)交流電網(wǎng)的諧波污染，國(guó)際上推出了一些限制電流諧波的標(biāo)準(zhǔn)，如IEC1000-3-2，它要求開(kāi)關(guān)電源必須采取措施降低電流諧波含量。

為了使輸入電流諧波滿足要求，必須加入功率因數(shù)校正（PFC）。目前應(yīng)用得最廣泛的是PFC級(jí)＋DC/DC級(jí)的兩級(jí)方案，它們有各自的開(kāi)關(guān)器件和控制電路。這種方案能夠獲得很好的性能，但它的缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，成本高。

在單級(jí)功率因數(shù)校正變換器^[1]中，PFC級(jí)和DC/DC級(jí)共用一個(gè)開(kāi)關(guān)管和一套控制電路，在獲得穩(wěn)定輸出的同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。這種方案具有電路簡(jiǎn)單、成本低的優(yōu)點(diǎn)，適用于小功率場(chǎng)合。本文介紹了一種單級(jí)PFC變換器的基本原理及其設(shè)計(jì)過(guò)程。

2 單級(jí)PFC變換器

單級(jí)PFC變換器的原理圖如圖1所示，是一種基于脈寬調(diào)制（PWM）的變換器。變換器的PFC級(jí)采用Boost電感電路，而DC/DC級(jí)采用雙管單端正激電路結(jié)構(gòu)。

圖1 單 級(jí) 功 率 因 數(shù) 校 正 變 換 器 的 原 理 圖

PWM集成芯片采用了UC3842，是一種電流型控制的專用芯片，具有電壓調(diào)整率高、外圍元器件少、工作頻率高、啟動(dòng)電流小的特點(diǎn)。其輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)隔直電容，連接在驅(qū)動(dòng)變壓器原邊。驅(qū)動(dòng)變壓器采用副邊雙繞組結(jié)構(gòu)，得到兩路同相隔離的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了DC/DC級(jí)的雙管驅(qū)動(dòng)。

變換器的過(guò)流保護(hù)由電阻R₉檢測(cè)到開(kāi)關(guān)管的過(guò)流信號(hào)，封鎖UC3842的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。電壓負(fù)反饋控制由電阻R₁₂和R₁₃獲得輸出電壓信號(hào)。

變換器的工作原理簡(jiǎn)述如下：當(dāng)變換器接通電源時(shí)，輸入交流電壓整流后的直流電壓經(jīng)電阻R₁₇降壓后，給UC3842提供啟動(dòng)電壓。進(jìn)入正常工作后，二次繞組N₃提供UC3842的工作電壓（12V）；繞組N₂的高頻電壓經(jīng)整流濾波，由TL431獲得偏差信號(hào)，經(jīng)光耦隔離后反饋到UC3842，去控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與截止，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期T_s內(nèi)，控制Boost電感工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）下，使得輸入電流波形自然跟隨輸入電壓波形，從而實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。

3 變換器的設(shè)計(jì)

3.1 EMI濾波器的設(shè)計(jì)

EMI濾波器能有效地抑制電網(wǎng)噪聲，提高電子儀器、計(jì)算機(jī)和測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力及可靠性^[2]。單級(jí)PFC變換器的PFC級(jí)工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式下，其輸入電流波形為脈動(dòng)三角波，因此其前端需添加EMI濾波器以濾除高頻紋波。

EMI濾波器電路如圖1所示，包括共模扼流圈（亦稱共模電感）和濾波電容。共模電感主要用來(lái)濾除共模干擾，其電感量與EMI濾波器的額定電流有關(guān)。本文中的單級(jí)PFC變換器的額定電流為1A，取共模電感值為15mH。濾波電容C₁₁和C₁₃主要濾除串模干擾，容量大致為0.01μF～0.47μF。C₁₄和C₁₅跨接在輸入端，并將電容器的中點(diǎn)接地，能有效抑制共模干擾，容量范圍是2200pF～0.1μF。

3.2 功率器件的選取

變換器的開(kāi)關(guān)器件一般均選用功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET），依據(jù)輸入最高電壓時(shí)輸出最大電流的要求來(lái)確定其電壓與電流等級(jí)，并預(yù)留有1.5～2倍的電壓和2～3倍的電流裕量。在單管變換器中，開(kāi)關(guān)器件的電壓UCEO通常可按經(jīng)驗(yàn)公式選取

U_CEO=U_dmax/(1－D) （1）

式中：U_dmax為漏源極的最大電壓；

D為占空比。

開(kāi)關(guān)器件的電流按高頻變壓器一次繞組的最大電流來(lái)確定。本文中，由于采用雙管電路結(jié)構(gòu)，每個(gè)開(kāi)關(guān)管所承受的電壓為U_CEO的一半，故選用耐壓500V、電流8A的IRF840。

變換器中PFC級(jí)的二極管選用了超快速恢復(fù)二極管，而DC/DC級(jí)整流輸出端選用肖特基整流二極管，以減小二極管的壓降。

3.3 變換器電感的設(shè)計(jì)

在單級(jí)PFC變換器中，為了實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正，通?？刂芇FC級(jí)的Boost電感工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式；而為了提高變換器的效率，DC/DC級(jí)一般采用連續(xù)導(dǎo)電模式，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)，通過(guò)L₁和L₂的電流如圖2所示。

圖 2 開(kāi) 關(guān) 周 期 內(nèi) 通 過(guò)L₁和L₂的 電 流