基于电荷控制方式的CCM反激PFC电路的设计

1　引言

　　由于用户对电能质量要求的提高,市场对具有PFC功能的AC/DC电源的需求激增。目前，PFC电路中较常用的为BOOST和FLYBACK两种变换器，在大功率应用中BOOST变换器依靠现有的控制方式能控制升压电感的平均电流跟踪正弦参考电压，为首选拓扑；在中小功率应用中，反激拓扑以其简单灵活的特点较BOOST电路更具优势，它解决了隔离和软启动及短路保护问题，并且输出电压可低于输入电压。反激PFC的难点在于如何控制输入电流使变换器工作在电流连续状态，并在同样的器件定额下，使CCM反激比DCM反激能输出更大的功率。反激变换器工作在DCM时，定占空比便可获得单位功率因数。但DCM模式有如下缺点：EMI滤波器过大；开关应力大：管子导通损耗大。

　　应用电荷控制方式能准确控制输入的平均电流，使反激变换器工作于电流连续模式并获得单位功率因数。


2　电荷控制的基本原理

　　所谓电荷控制就是在一个开关周期内对流过主开关管电流的检测信号积分，得到表征输入总电荷量的电压信号，通过控制这一电压去控制输入的总电荷量即控制输入的平均电流。应用于反激PFC 的电荷控制的基本原理图及关键波形如图（1）所示：

　　
　　主开关S1在每个开关周期开始时闭和，与此同时，S2断开，开关电流Is被检测并给电容Ct 充电，当电容电压增至Vc 时，S1断开，同时闭和S2对Ct放电，电压Vt表征了一个开关周期内流过主开关的总电荷量，定频工作时，Vt与开关电流的平均值成比例，因此，当Vc 为工频输入电压参考信号时，那么输入的平均电流便严格的跟踪输入参考的电压信号，即实现了功率因数校正功能。


3　功率电路和控制电路的参数设计

　　基于电荷控制方式，设计制作了一台200w的反激PFC变换器，其完整的电路图及参数如图2所示。

　　下面将介绍其参数的设计方法。

　　变换器的输入输出指标

　　输入电压：90VAC—260VAC

　　输出电压：48VDC

　　最大输出功率:200W

　　开关频率:100KHz

　　3、1　功率电路参数设计

　　功率部分主要是设计反激变压器，根据给定参数设计匝比和激磁电感，以及开关管峰值电流的最大值。

　　① 变压器变比由主开关管和整流管的最大电压应力确定:

　　

为主开关管的电压应力，

为整流管的电压应力，对于给定的输入输出电压选定N=3，以便使整流管使用肖特基管,对应的

　　② 变比N确定以后，便由下式确定最小占空比的范围:

　　输入电压最低时，对恒功率负载，输入电流峰值最大，且为

　　③ 相应最大开关电流为

　　3.2箝位电路设计

　　箝位电路一般有RCD箝位和有源箝位两种方式，RCD电路简单，但缺点是降低了变换器的效率，而有源箝位电路复杂，并且由于反向回流电流降低了输入功率因数，但其效率较高，综合考虑整个变换器的成本和效率以及电路复杂程度，这里选用一般的箝位电路RCD箝位。

　　经测量变压器漏感为

，箝位电路中的电容电压最低为

，其中

144V,取其波动电压的最大值为

100V ，则电容C的容值由下式计算：

　　3.3、控制电路设计

　　控制电路采用PFC专用芯片UC3854和适当外围电路。在这里我们选用UC3854的一部分功能，UC3854的乘法器输出电压作为电荷量的给定信号，积分电容上的电压Vt与乘法器输出电压经LM311比较得出翻转信号，将此信号送给UC3854的过流保护端子2脚，便得到对应的占空比输出，这里不使用其电流环上的误差放大器，UC3854的输出经反向后驱动积分电容上并联的开关管保证主开关管断开时，将积分电容上的电荷放掉，从而实现了对主开关管电流的准确积分，其中积分电容Ct的值需满足下式:

4　电荷控制的反激PFC电路的实验结果

　　本文试制了一台样机，图3为市电输入电压满载时的输入电压和电流波形。效率随输出电流变化的特征曲线如图4所示，当输入电压较高时，半载至满载时，都能使效率保持在80%以上，功率因数半载时达0.990，满载时达到0.992。

5　总结

　　本文介绍了电荷控制的基本原理，并将电荷控制方式应用于CCM反激功率因数校正电路中，并给出了电路设计方法，CCM 反激PFC有如下特点：

　　(1)功率电路简单

　　(2)输出电压可以低于输入电压

　　(3)可以解决隔离、软启动和短路保护的问题

　　(4)输出功率因管子的电压、电流应力过大而受到限制

　　变压器漏感能量是引起管子电压应力过大的主要因素，解决漏感能量的循环与吸收问题是提高CCM反激PFC功率与效率的关键。


参考文献

[1]W.Tang,Y.M.Jiang,G.Hua,F.C.Lee,“Power factor correction with flyback converter employing charge control,”VPEC Power Electron.Sem.Proc,pp91-96,1992

[2]张占松，蔡宣三。开关电源的原理与设计[M]。北京：电子工业出版社，1999