選擇正確的PFC解決方案

摘    要：本文用一種創(chuàng)新的方法提出了四種功率因數(shù)校正(PFC)電路設(shè)計。兩種臨界導(dǎo)通模式(CRM) 升壓，一種連續(xù)導(dǎo)通模式 (CCM) 升壓和一種CCM 單段回掃，并且推薦了基于功率要求、效率、失真程度、電路板空間和成本限制的解決方案。

引言
IEC1000-3-2要求電源中的功率因數(shù)預(yù)轉(zhuǎn)換器的額定值為75W或更高。功率低于100W時， CRM是最適合的方法，而對高于200W的功率水平 ，一般采用CCM方法。本文提出的解決方案圍繞在 150W左右 ，這正是以上兩種可用的方法的灰色區(qū)域。
本文介紹了四種PFC電路的設(shè)計，CRM升壓，CRM跟隨器升壓(輸出電壓隨著輸入電壓而改變)，CCM 升壓以及CCM回掃?；诠β?、效率、失真程度，電路板空間以及成本等方面的要求，用戶可以選擇最能滿足他需要的解決方案。分析的內(nèi)容包括如何選擇主要的功率元件，以及各種解決方案的取舍問題。

PFC 預(yù)穩(wěn)壓器設(shè)計實例
首先要解決PFC段的主要功率元件問題。設(shè)計要求如下：
通用的輸入電壓范圍:  85~265Vac；
穩(wěn)壓輸出電壓:  CRM 和CCM升壓轉(zhuǎn)換器是400V，CRM跟隨器升壓轉(zhuǎn)換器是200~400V，單段是12V；
額定輸出功率:  150 W (2 段方法)，120 W (1段方法)；
線路頻率: 50/60 Hz；
效率: >90 %；
最大開關(guān)頻率:CRM為476kHz，CCM為100kHz。
這些規(guī)格決定了對選擇電路元件的主要要求，如電感的尺寸、MOSFET的選擇、輸出整流器和輸出二極管等等。表1列出了每種拓撲結(jié)構(gòu)中使用的主要功率元件的特性。

電感/變壓器 
CRM 中P1 和P2電感的設(shè)計是一個挑戰(zhàn)，因為峰值電流會引起更高的導(dǎo)通損耗，設(shè)計基于最小線路電壓和最小開關(guān)頻率時的最大紋波電流。交流線路峰值時的最小開關(guān)頻率要高于可以聽見的范圍。
設(shè)計CCM 電感時，建議調(diào)整L 的值，使紋波電流最小，同時限制它的尺寸，以減小電路板占位面積。一般，最大的紋波電流峰-峰值為峰值電感電流的20%~40%是可以接受的。另外，選擇電感的最小推薦值可使得電感尺寸變小，但使開關(guān)峰值電流更高，紋波電流更大，而且輸出紋波電壓也會增大。
如表1所示，首先，如果考慮低的電感值，似乎P2 是最便宜和最緊湊的電路板設(shè)計。但是，如前所述，由于大電流紋波使得P2的電感要經(jīng)受大的磁通變化，所以在選擇磁芯時要特別小心。設(shè)計電感時，減小DCR 來降低導(dǎo)通損耗也是很重要的。比較兩種CRM PFC方案，P1 和 P2的電感值的區(qū)別證明，在相同的條件下，跟隨器升壓方案允許使用更小的電感。要獲得最緊湊的電路板設(shè)計，P3 是最佳的解決方案。因為它工作在CCM模式，所以它需要處理的峰值電流最小。因此，這種設(shè)計可使用最小的磁心——EER28，從而可以制成很小的電感。
P4 采用了回掃變壓器，把第一段的升壓電感和第二段的兩開關(guān)正激變壓器結(jié)合起來。這是所有四種設(shè)計中最大和最昂貴的磁性元件。但是，和傳統(tǒng)的實現(xiàn)升壓PFC加DC-DC段方法所需的三個磁性元件相比，用這種方法節(jié)約了兩個磁性元件。為了挑選合適的磁性元件，必須做一些取舍，或者是優(yōu)化設(shè)計降低MOSFET和輸出二極管的損耗，或者對磁性元件優(yōu)化以降低加到MOSFET上的電壓和減少變壓器及緩沖器中的損耗。較少匝數(shù)比有利于在初級形成較高的峰值電流，以及在輸出整流器上施加較高的正向電壓。相應(yīng)的，它會減少次級反射到初級的電壓大小，以及減少MOSFET漏極上的漏感脈沖尖峰。較高的變壓器匝數(shù)比有利于漏感，磁心和線圈損耗，以及較高的漏極到源極的電壓和輸出電容紋波電流。另一方面，大匝數(shù)比可使小初級電流能夠支持負載。因為MOSFET中的功耗和Ip2 x RDS(on) 成正比，初級電流的細微減小會引起功耗的大幅度下降。另外，它導(dǎo)致低的次級電壓，并減小截止狀態(tài)時加在次級二極管上的電壓。因而可以選擇一個反向電壓額定值低的輸出整流器，這很重要，因為較低的VR二極管有較低的正向壓降。二極管損耗正比于IF