單級(jí)功率因數(shù)校正（PFC)變壓器的設(shè)計(jì)

1引言

為了減少對(duì)交流電網(wǎng)的諧波污染，國際上推出了一些限制電流諧波的標(biāo)準(zhǔn)，如IEC 1000- 3-2，它要求開關(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)。

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)。

變換器的過流保護(hù)由電阻R9檢測(cè)到開關(guān)管的過流信號(hào)，封鎖UC3842的輸出信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過流保護(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（12 V）；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)開關(guān)周期Ts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1 A，取共模電感值為15 mH。濾波電容C11和C13主要濾除串模干擾，容量大致為0.01μ F～0.47 μ F。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2200 pF～0.1 μ F。

3.2功率器件的選取

變換器的開關(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，開關(guān)器件的電壓UCEO通?？砂唇?jīng)驗(yàn)公式選取

式中：Udmax為漏源極的最大電壓；

D為占空比。

開關(guān)器件的電流按高頻變壓器一次繞組的最大電流來確定。本文中，由于采用雙管電路結(jié)構(gòu)，每個(gè)開關(guān)管所承受的電壓為UCEO的一半，故選用耐壓500 V、電流8 A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，通常控制PFC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率，DC/DC級(jí)一般采用連續(xù)導(dǎo)電模式，在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，通過L1和L2的電流如圖2所示。為了使Boost電感工作于DCM，則有

式中：RL為變換器的負(fù)載電阻；

L1為Boost電感值；

Ts為變換器的開關(guān)周期；

D為占空比；

η為變換器的效率；

UC1為中間儲(chǔ)能電容上的電壓；

Uo為輸出電壓。

為了使得DC/DC級(jí)工作在連續(xù)導(dǎo)電模式下，則有

式中：L2為DC/DC級(jí)的儲(chǔ)能電感值。

在本文中，要求Ts=8.33 μ s，D=0.2， Uo=16 V，RL=2.133 Ω，UC1=380 V。故選取L1=100 μH，L2=20μH。

功率因數(shù)校正的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。圖中，第一條波形是交流輸入電壓經(jīng)整流橋后的電壓波形，第二條波形是流經(jīng)Boost電感L1的電流波形，近似于正弦波。實(shí)驗(yàn)得到的功率因數(shù)為0.97。

3.4高頻變壓器的設(shè)計(jì)

高頻變壓器是變換器的核心元件，它的性能好壞不僅影響其本身的發(fā)熱和效率，而且還會(huì)影響到變換器的技術(shù)性能和可靠性。

1） 磁芯的選用

本文的負(fù)載設(shè)計(jì)為Uo=16V，Io=7.5A，由高頻變壓器的二次繞組N2繞組提供。而繞組N3提供UC3842的工作電源，其輸出功率很小，可忽略。由設(shè)定條件可知，高頻變壓器的輸出功率為

給出的輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系，選用了PQ32－30磁芯，其有效截面積為167mm2。

2） 繞組匝數(shù)的確定

變壓器初級(jí)繞組電壓幅值UP1為

式中：UC1是變壓器輸入直流電壓(等于中間儲(chǔ)能電容上的電壓)；

ΔU1是變壓器初級(jí)繞組的電阻壓降與開關(guān)管的導(dǎo)通壓降之和，在實(shí)際計(jì)算中可以忽略。

變壓器二次繞組N2的電壓幅值UP2

式中：ΔU2是變壓器二次繞組的電阻壓降與整流管的壓降之和。

初級(jí)繞組匝數(shù)N1為

式中：f是開關(guān)頻率（120 kHz）；

ΔBm是磁通增量，此處取ΔBm=0.15T。

二次繞組N3提供UC3842的12V工作電壓，其匝數(shù)由下式得到

式中：UP3為二次繞組N3的電壓幅值。

4結(jié)語

應(yīng)用脈寬調(diào)制集成控制芯片UC3842構(gòu)成的單級(jí)PFC變換器，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。不僅獲得穩(wěn)定的輸出，而且實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。