分布式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)單階段PFC和降壓轉(zhuǎn)換的新方法

引言
在最先進(jìn)的PFC電路中，為了降低輸入電流諧波并提高輸入功率因數(shù)，通常使用升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以在連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM)、非連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)或臨界導(dǎo)通模式下工作。
大多數(shù)使用升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的PFC 應(yīng)用系統(tǒng)專(zhuān)用于在使用通用輸入交流電源(85-265 Vac)，頻率為 50 或60Hz，并且提供穩(wěn)壓直流總線(一般為400 Vdc)時(shí)工作。在大多數(shù)應(yīng)用中，負(fù)載不能在提供高壓直流總線時(shí)工作，所以DC-DC轉(zhuǎn)換器用來(lái)隔離交流電源和負(fù)載，并提供低壓輸出。這種系統(tǒng)配置的優(yōu)點(diǎn)是低總諧波失真(THD)、接近于1的功率因數(shù)、優(yōu)異的穩(wěn)壓和隔離直流輸出上的瞬態(tài)響應(yīng)。升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的主要缺點(diǎn)是需要兩個(gè)功率階段，這會(huì)降低系統(tǒng)效率，增加元件數(shù)量和成本，并會(huì)使電源尺寸增大。
NCP1651 提供PFC設(shè)計(jì)的獨(dú)特備用方案，專(zhuān)用于控制在反擊型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中工作的PFC 電路。使用反擊型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以建立一個(gè)單功率階段的低壓隔離次級(jí)輸出，而仍然能獲得低輸入電流失真，且功率因數(shù)接近于1 。和帶有DC-DC轉(zhuǎn)換器的升壓拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，使用元件數(shù)量少有助于減小電源尺寸和降低電源成本。

控制器分析
NCP1651 可以在連續(xù)或非連續(xù)模式下工作。表1規(guī)定了一組將工作模式進(jìn)行比較的條件。
連續(xù)模式
為了強(qiáng)制電感電流在輸入電壓范圍內(nèi)保持連續(xù)，Lp至少需要為1mH。反擊型變壓器的初級(jí)線圈上的典型電流如圖1所示。在開(kāi)關(guān)打開(kāi)時(shí)，電流流入初級(jí)線圈，在開(kāi)關(guān)關(guān)閉時(shí)，電流流進(jìn)次級(jí)線圈。
因此，峰值電流：
Ipk=Iavg + ((1.414 ?Vin sinq?ton?)/Lp)                      (1)
其中 Iavg = 1.414?Pin/Vin sinq                          (2)
Ton = T/((Ns/Np?1.414?Vin sinq/Vo)+1)                   (3)
Ton = 6.19ms
Ipk=(1.414?113)/85 sinq + (1.414 ?85?6.15 ms?2)/1 mH = 3.35A
從轉(zhuǎn)換器分析看到連續(xù)模式工作的峰值電流為3.35A。
非連續(xù)模式
在非連續(xù)工作模式中，電感電流在開(kāi)關(guān)周期結(jié)束之前降為零，如圖2所示。
為了保證DCM，Lp 需要降低至大約100mH。
Ipk= (Vin sinq?.414 on)/Lp
Ipk = 1.414?5 sin?.18ms/100mH= 6.23 A                              (4)
結(jié)果顯示，CCM模式中的反擊型轉(zhuǎn)換器的峰值電流是DCM模式下峰值電流的一半。

電流諧波分析
運(yùn)行在DCM中的第二個(gè)結(jié)果是輸入電流失真、EMI較高，且功率因數(shù)較低。雖然可以對(duì)高峰值電流進(jìn)行濾波，以產(chǎn)生相同的性能結(jié)果，但這將需要一個(gè)更大的濾波器。
簡(jiǎn)單的快速傅立葉變換(FFT) 在SPICE 中運(yùn)行，以提供CCM 和 DCM諧波電流級(jí)別的比較。諧波電流級(jí)別會(huì)影響輸入EMI 濾波器的大小。在一些應(yīng)用中，它需要滿足C.I.S.P.R等級(jí)。在SPICE FFT 模型中，由于沒(méi)有增加任何前端濾波，所以分析結(jié)果不能直接進(jìn)行比較。
連續(xù)導(dǎo)通模式
如圖3所示，在100 kHz處，開(kāi)關(guān)頻率、FFT的 rms 值是 260mA，而二次諧波(200kHz)rms值是55mA。
非連續(xù)導(dǎo)通模式
如圖4所示，在100kHz 處， FFT的 rms 值是 2.8A，而二次諧波 (200kHz)是500mA。

結(jié)果
和在 DCM工作中的反擊型PFC轉(zhuǎn)換器相比，從分析結(jié)果能清楚看到工作在 CCM中的反擊型PFC轉(zhuǎn)換器的峰值電流是其1/2，而基波 (100 kHz) 諧波電流是其1/10，從而使MOSFET、次級(jí)整流二極管中的導(dǎo)通損耗更低。如果設(shè)計(jì)師需要滿足C.I.S.P.R. 導(dǎo)通發(fā)射等級(jí)的要求，那么輸入EMI濾波器也需更小。和CCM 工作相反，因?yàn)樾枰某跫?jí)電感更大，其反擊型變壓器也更大。
在DCM下工作的優(yōu)點(diǎn)是較低的開(kāi)關(guān)損耗及更小的變壓器尺寸。
在PFC中使用反擊型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的第二個(gè)考慮是，輸出電壓紋波包含傳統(tǒng)高頻紋波和整流線頻率紋波 (100 或者 120Hz)兩個(gè)分量。
 高頻紋波：
芕 = ?芕cap2+ 芕esr2            (5)
其中，芕cap = Ioavg ?dt /Co，Ioavg = (Ipk +Iped/2)，Ipk為峰值電流 (次級(jí))，Iped為次級(jí)電流的脈沖基底電平，Co為輸出電容，esr為輸出電容的等效串聯(lián)電阻，dt為T(mén)off；芕esr = Ipk ?esr。
紋波的低頻部分是：
芕 = Ipk 苩 / Co                      (6)
IAVG = Po/Vo                                                (7)
Ipk = IAVG / 0.637                     (8)
如果把輸出紋波以10腦齜諞桓鮒芷?180?中劃分，和相角有關(guān)的正弦紋波電壓是：
芕=((Po/ 0.637 Vo)in(q-0.637))/Co?8?fline                                     (9)
使用上述的相同應(yīng)用系統(tǒng)，選擇輸出電容的大小，以提供小于額定輸出5%的電壓紋波。使用以上的等式，選擇兩個(gè)并聯(lián)的1500mF電容，每個(gè)電容的esr為0.03W。
如果次級(jí)輸出電壓用于分布式總線，可以根據(jù)保持時(shí)間和紋波選擇輸出電容的大小。那輸出電容可以這樣計(jì)算：
Co= 2 Pout th / V2nom-V2min         (10)
其中：Pout 為最大輸出功率，th為要求的保持時(shí)間(選擇線路為 60 Hz, 16.67ms的一個(gè)周期)，Vnom為額定 48Vdc輸出，Vmin為36Vdc。則
Co=2(90)16.67ms/482-362=3000mF
在以上計(jì)算中，對(duì)于輸出電壓紋波和保持時(shí)間，在兩種應(yīng)用中恰好選擇了相同的輸出電容值。
NCP1651內(nèi)部提供了所有在PFC控制器中常見(jiàn)的必要特性，同時(shí)還有一些不常見(jiàn)的特性。比如，NCP1651有一個(gè)高壓?jiǎn)?dòng)電路，讓設(shè)計(jì)師可以直接連接 NCP1651的引腳16和高壓直流總線，而無(wú)需笨重而昂貴的啟動(dòng)電路。其應(yīng)用原理圖見(jiàn)圖5。
在電路上施加了電源以后，高壓FET的偏置為一個(gè)電流源，以提供啟動(dòng)功率的電流。啟動(dòng)高壓?jiǎn)?dòng)電路，整流交流線路中的電流就會(huì)對(duì)Vcc電容充電。當(dāng)Vcc電容上的電壓達(dá)到UVLO電路(額定值為10.8V) 的導(dǎo)通點(diǎn)以后，禁用啟動(dòng)電路，并啟用PWM電路。啟用了NCP1651 以后，偏置電流從其待機(jī)水平升至工作水平。一個(gè)八分頻的計(jì)數(shù)器預(yù)置為7，使得啟動(dòng)后芯片不會(huì)在第一個(gè)周期工作。第二個(gè)Vcc周期中，計(jì)數(shù)器增加到 8，而且芯片可以在此時(shí)啟動(dòng)。除了提供Vcc 電容的初始充電以外，它也可以作為啟動(dòng)、過(guò)流和關(guān)閉工作模式的定時(shí)器。
在關(guān)閉模式中，Vcc周期在 7 計(jì)數(shù)狀態(tài)一直保持，直到解除關(guān)閉信號(hào)。這樣可以獲得可重復(fù)而快速的重啟。
只要Vcc電壓在欠壓跳閘點(diǎn)高于UVLO，元件就會(huì)保持工作。如果Vcc電壓降低到欠壓跳閘點(diǎn)，元件將停止工作，啟動(dòng)電路將再次啟用，而且對(duì)Vcc電容充電，使之達(dá)到導(dǎo)通電壓水平。此時(shí)，啟動(dòng)電路關(guān)閉，而且元件保持在關(guān)閉模式。這將會(huì)在以后七個(gè)周期中繼續(xù)。在第八個(gè)周期中，NPC1651會(huì)再次工作。如果Vcc電壓在欠壓跳閘點(diǎn)以上，元件繼續(xù)工作，否則，元件則開(kāi)始另一個(gè)八分頻周期。
八分頻計(jì)數(shù)器的目的是減小芯片在過(guò)載情況下的功耗，并且能使其不斷循環(huán)，避免芯片過(guò)熱。
讓輸出電壓達(dá)到一個(gè)水平，使輔助電壓在Vcc電容放電到這一水平之前仍能保持在UVLO關(guān)閉水平以上至關(guān)重要。如果電感線圈產(chǎn)生的偏置電壓，在電容降低到UVLO 欠壓關(guān)閉水平之前不超過(guò)關(guān)閉電壓，元件就會(huì)關(guān)閉并進(jìn)入八分頻周期，而且不再啟動(dòng)。如果發(fā)生這種情況，Vcc電容值會(huì)增加。 ■