适合大功率的CCM模式APFC电路设计

传统的工频交流整流电路，因为整流桥后面有一个大的电解电容来稳定输出电压，所以使电网的电流波形变成了尖脉冲，滤波电容越大，输入电流的脉宽就越窄，峰值越高，有效值就越大。这种畸变的电流波形会导致一些问题，比如无功功率增加、电网谐波超标造成干扰等。

功率因数校正电路的目的，就是使电源的输入电流波形按照输入电压的变化成比例的变化。使电源的工作特性就像一个电阻一样，而不在是容性的。

目前在功率因数校正电路中，最常用的就是由BOOST变换器构成的主电路，而按照输入电流的连续与否，又分为DCM、CRM、CCM模式。DCM模式，因为控制简单，但输入电流不连续，峰值较高，所以常用在小功率场合。CCM模式则相反，输入电流 连续，电流纹波小，适合于大功率场合应用。介于DCM和CCM之间的CRM称为电流临界连续模式，这种模式通常采用变频率的控制方式，采集升压电感的电流过零信号，当电流过零了，才开通MOS管。这种类型的控制方式，在小功率PFC电路中非常常见。

今天我们主要谈适合大功率场合的CCM模式的功率因数校正电路的设计。

要设计一个功率因数校正电路，首先我们要给出我们的一些设计指标，我们按照一个输出500W左右的APFC电路来举例：

　　已知参数：

　　交流电源的频率fac——50Hz

　　最低交流电压有效值Umin——85Vac

　　最高交流电压有效值Umax——265Vac

　　输出直流电压Udc——400VDC

　　输出功率Pout——600W

　　最差状况下满载效率η——92%

　　开关频率fs——65KHz

　　输出电压纹波峰峰值Voutp-p——10V

　　那么我们可以进行如下计算：

　　1、输出电流Iout=Pout/Udc=600/400=1.5A

　　2、最大输入功率Pin=Pout/η=600/0.92=652W

　　3、输入电流最大有效值Iinrmsmax=Pin/Umin=652/85=7.67A

　　4、那么输入电流有效值峰值为Iinrmsmax*1.414=10.85A

　　5、高频纹波电流取输入电流峰值的20%，那么Ihf=0.2*Iinrmsmax=0.2*10.85=2.17A

　　6、那么输入电感电流最大峰值为：ILpk=Iinrmsmax+0.5*Ihf=10.85+0.5*2.17=11.94A

　　7、那么升压电感最小值为Lmin=(0.25*Uout)/(Ihf*fs)=(0.25*400)/(2.17*65KHz)=709uH

　　8、输出电容最小值为：Cmin=Iout/(3.14*2*fac*Voutp- p)=1.5/(3.14*2*50*10)=477.7uF，实际电路中还要考虑hold up时间，所以电容容量可能需要重新按照hold up的时间要求来重新计算。

　　实际的电路中，我用了1320uF，4只330uF的并联。　　有了电感量，有了输入电流，接下来设计升压电感!

　　PFC电路的升压电感的磁芯，我们可以有多种选择：磁粉芯、铁氧体磁芯、开了气隙的非晶/微晶合金磁芯。这几种磁芯是各有优缺点：

　　磁粉芯优缺点

　　优点：μ值低，不用额外再开气隙，气隙平均，漏磁小，电磁干扰比较低，不易饱和;

　　缺点：基本是环形的，绕线比较困难，不过目前市场上也出现了EE型的。另外，μ值随磁场强度的增加会下降。设计的时候需要反复迭代计算。

　　铁氧体磁芯优缺点

　　优点：损耗小，规格多，价格便宜，开了气隙后，磁导率稳定;

　　缺点：需要开气隙，另外饱和点比较低，耐直流偏磁能力比较差。

　　非晶/微晶合金优缺点

　　优点：饱和点高，开气隙后，磁导率稳定;

　　缺点：需要开气隙。另外，大都是环状的。

　　在此说明一下，环形铁芯虽然绕线比较困难，没有E型什么带骨架的那种容易绕。但是环形铁芯绕出来的电感分布电容小，对将来处理电磁兼容带来了很多便利之处。E型的骨架绕线一般都是绕好几层，层间电容比较大，对EMC产生不利影响。另外，开气隙的铁芯，在气隙处，铜损会变大(因为气隙处的漏磁在铜线上产生涡流损耗)。

　　下面我们就选择一种环形磁粉芯来作为我们PFC电感的磁芯。我们上面已经计算出了几个参数：

　　输入电流最大有效值：Iinrmsmax=Pin/Umin=652/85=7.67A

　　输入电感电流最大峰值：ILpk=Iinrmsmax+0.5*Ihf=10.85+0.5*2.17=11.94A

　　升压电感最小值：Lmin=(0.25*Uout)/(Ihf*fs)=(0.25*400)/(2.17*65KHz)=709uH

　　继续计算：

　　线圈选择电流密度为5A/平方毫米，可以计算出我们需要用的漆包线的线径为：

　　2×SQRT(7.67/(5×3.14))=1.4毫米

　　因为这是按照最极限的输入电压，也就是说按照最大的输入电流时来计算的。所以电流密度取的裕量比较大。实际按照不同的成本要求，也可以把电流密度取大一些，比如此处取电流密度为8A/平方毫米的话，那么可以得到线径为：

　　2×SQRT(7.67/(8×3.14))=1.1毫米

　　这也是可以接受的。

　　因为是CCM模式的工作方式，基波是低频的半正弦波，在此处我们就不考虑趋肤效应了。选用单根的漆包线就可以了。

　　常用的几个公式：

　　LI=NΔBAe

　　L：电感量，I：电流，N：匝数，ΔB：磁感应强度变化量，Ae：磁芯截面积

　　L=N×N×Al

　　Al：电感系数

H=0.4×3.14×N×I