教你如何提升常見PFC控制器的性能

接觸過開關(guān)電源的朋友都知道，在開關(guān)電源的運(yùn)行過程當(dāng)中，存在電流和電壓之間的一種損失，電流和電壓之間的相位差會(huì)造成交換功率的損失，而此時(shí)我們就需要PFC來幫助我們提高電路的功率因數(shù)。因此，離線功率轉(zhuǎn)換器通常設(shè)計(jì)為兩級(jí)的級(jí)聯(lián)型。第一級(jí)為一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，這是因?yàn)樵?strong>拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擁有連續(xù)輸入電流(通過使用乘法器可實(shí)現(xiàn)電流波形控制)以及可實(shí)現(xiàn)近似單位功率因數(shù)的平均電流模式控制。但是，升壓轉(zhuǎn)換器需要一個(gè)比輸入電壓更高的輸出電壓，和另外一個(gè)將輸出電壓降壓至可用電壓等級(jí)的轉(zhuǎn)換器(見圖1)。

圖1典型的兩級(jí)離線功率轉(zhuǎn)換器

升壓跟隨器的優(yōu)點(diǎn)

傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器的固定輸出電壓要比線電壓的最大峰值高出許多。但是，由于可設(shè)計(jì)步降轉(zhuǎn)換器應(yīng)對(duì)電壓變化，所以并不需要對(duì)升壓電壓進(jìn)行專門的調(diào)節(jié)或穩(wěn)壓。只要升壓電壓高于輸入電壓峰值，轉(zhuǎn)換器就能正常運(yùn)行。隨著線電壓峰值變化而改變升壓電壓有以下優(yōu)點(diǎn)(例如升壓跟隨器預(yù)調(diào)節(jié)器)：一是升壓電感器的尺寸縮小，二是低壓運(yùn)行時(shí)的較低開關(guān)損耗。圖2顯示了升壓跟隨器和傳統(tǒng)的PFC預(yù)調(diào)節(jié)器的輸出電壓隨著輸入電壓(Vin(t))變化而變化的情況。

圖2隨著輸入電壓變化，傳統(tǒng)升壓調(diào)節(jié)器和升壓跟隨器輸出電壓的變化情況

較低的升壓電感(L)

升壓電感器的選擇是根據(jù)允許的最大紋波電流(△I)確定的，此時(shí)，線電壓 [Vin(min)]和輸出電壓[Vout(min)]均為最低，而占空比(D)為最大。下面的方程式用來計(jì)算出樣機(jī)電源升壓功率級(jí)所需電感。最小輸出電壓峰值的減小導(dǎo)致最大占空比的減小，從而使升壓電感減少。低壓運(yùn)行時(shí)較低的升壓開關(guān)損耗

在離線PFC轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換器的大部分功耗都來自于進(jìn)行升壓開關(guān)轉(zhuǎn)換(Q1)時(shí)的開關(guān)損耗。下面的方程式可以計(jì)算出FET開關(guān)損耗(PFE_TR)和部分FET寄生電容損耗(PCOSS)。在下面的方程式中，IRMS_L表示流過升壓電感器的均方根電流，Ton和Toff為FET開關(guān)轉(zhuǎn)換次數(shù)，變量fs表示功率轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換頻率，Coss表示FET寄生電容。從方程式可以推出，如果輸出電壓降低，開關(guān)損耗也將減少。升壓跟隨器的PFC轉(zhuǎn)換器在低壓運(yùn)行時(shí)，其輸出電壓要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的PFC升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，同時(shí)這也減少了開關(guān)損耗。

為了進(jìn)一步的說明，我們建立了使用通用線電壓(如85Vac至265Vac)UCC3817PFC控制IC的兩個(gè)功率為250W的轉(zhuǎn)換器樣機(jī)。其中一個(gè)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的拓?fù)?/strong>結(jié)構(gòu)，輸出電壓為390V。另一個(gè)轉(zhuǎn)換器則是利用升壓跟隨器技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建的，輸出電壓可以在230V至387.5V之間進(jìn)行變化。低壓運(yùn)行時(shí)升壓跟隨器功率大約高出2%~3%。請(qǐng)參見圖3進(jìn)行功率比較。

圖3傳統(tǒng)PFC和升壓跟隨器PFC在85Vrms時(shí)的效率

所需額外電路

設(shè)計(jì)一款帶有典型PFC控制器的升壓跟隨器PFC功率級(jí)并不困難，只需要5個(gè)額外電子元件即可(見圖4)。

圖4升壓跟隨器電路只需多增加5個(gè)元件

所需的額外電子元件分別為C1、R1、R2、R4、Q1和D1，這些元件可以用于吸收電壓環(huán)路反饋中電壓放大器反相信號(hào)的額外電流。當(dāng)整流線電壓增高或降低時(shí)，Q1吸取一個(gè)流經(jīng)R3的對(duì)應(yīng)電流，從而導(dǎo)致輸出電壓隨著線壓的改變而改變。使用二極管來抵消Q1基極發(fā)射極結(jié)溫(Vbe)的變化。電容C1和R2形成一個(gè)低通濾波器，可以消除由整流線電壓引起的紋波電壓。

應(yīng)用實(shí)例

本電路是為了使輸出電壓在230V至390V之間變化而設(shè)計(jì)的，大致為一個(gè)2:1的輸入范圍。設(shè)計(jì)本電路的第一步是建立分壓器，可以由R3和R4來組成。首先選擇R3，然后使用下列方程式計(jì)算出R4所需的值。在本設(shè)計(jì)中，Vref的值為7.5V，Vout(最小)的值為230V。

由R1和R2組成的分壓器，用來使Q1的基電壓在1.4V至3.9V之間變化。必須注意的是，不要使晶體管飽和。下列方程式可以用來選取R2的值：

在輸入電壓最小化至85V均方根電壓時(shí)，Vqb1(最小)是Q1的基電壓。Vd是電路的正向二級(jí)管壓降。

電容C1用來過濾出整流線電壓紋波。為了限制第三階諧波電流失真，安裝濾波器來將整流線頻率減至Q1基點(diǎn)最大電壓的1.5%(Vqb1(最大))。

本設(shè)計(jì)中，最大輸入電壓為265V，線頻率(f_line)為60Hz。

在最終設(shè)計(jì)中，輸出電壓隨線電壓的增長應(yīng)在設(shè)計(jì)電壓的8%以內(nèi)。除了Q1基極發(fā)射極電壓(Vbe)的電阻器容差和變化以外，二級(jí)管的正向電壓也是出現(xiàn)誤差的原因。在本應(yīng)用中，升壓電壓不需要一個(gè)嚴(yán)格的容差，因?yàn)橄掠无D(zhuǎn)換器會(huì)對(duì)PFC預(yù)調(diào)節(jié)器輸出電壓中任何異常的變化進(jìn)行校正。

本文主要講述了升壓跟隨器的優(yōu)點(diǎn)，以及在低壓狀態(tài)下運(yùn)行的升壓開關(guān)損耗?；谶@些知識(shí)來對(duì)PFC控制器的性能進(jìn)行提高，PFC的數(shù)值越大，就表示其電力的利用率越高，所以熟練掌握PFC的相關(guān)知識(shí)就能夠?yàn)槲覀兊脑O(shè)計(jì)提供更加便利的捷徑。