350-W、双相交错式预调节器设计评价

1 摘要

　　一般情况下，在较高功耗应用中需要采用全线电源并减少线电流谐波 PFC 预调节器的数量。在这些高功耗应用中，交错式 PFC 级可缩小电感的占用空间，同时降低输出电容器纹波电流。这些功能通过消除随着交错式运行而产生的电感纹波电流而得以实现。上述应用手册回顾了 350-W、两相交错式功率因数校正 (PFC) 预调节器的设计理念。此种电源转换器通过使用 UCC28528 PFC/PWM 控制器以及用于交错两个功率级的 UCC28220 交错式 PWM 控制器实现了 PFC 功能。另外，该电源转换器还具有一只 2-W 的辅助偏置电源，用以向转换器栅极驱动和 PWM/PFC 电路供电。完整的设计原理图如图 7 和图 8 所示。

　　2 交错式 PFC 升压预调节器的优势评价

　　图 1 显示了一款两相交错式升压转换器的功能原理图。该交错式升压转换器只不过是两个异相 180 度运行的升压转换器。输入电流为两只电感电流 IL1 和 IL2 之和。由于电感纹波电流为异相，所以它们彼此抵消了自身的输出，并降低了由升压电感产生的输入纹波电流。最佳的输入电感纹波电流消除是在占空比为 50% 时。输出电容器电流为两个二极管电流（I1 + I2）之和，再减去 DC 输出电流。这样，作为占空比的一个函数，则降低了输出电容器纹波电流 (IOUT)。当占空比分别接近 0%、50% 和 100% 时，两个二极管电流之和则达到了直流值。在任一最佳工作点时，输出电容器只须过滤电感纹波电流。

图 1 交错式升压级

　　2.1 以占空比函数的形式降低输入纹波电流

　　下列方程式表明了输入纹波电流与电感纹波电流之间的比值 (K(D)) 是如何随着占空比的变化而变化的。图 2 所示为 (K(D)) 随着占空比变化而变化的情况。需要引起重视的是，当为交错式升压转换器选择电感时，我们要记住输入纹波电流的这些变化。这是因为 PFC 预调节器的占空比并非一成不变，而是随着线电压的变化而变化的。

　　输入电流/电感纹波电流与占空比的关系

图 2 输入纹波电流降低

　　在 PFC 预调节器中，占空比 (D(θ)) 并非一成不变，而是随着线电压 (Vin(θ)) 的变化而变化。一般应用的占空比变化值可以为非常大的数值。占空比的这种变化可以通过对设计用于 85V 至 265V 常用输入（带有 385V 直流输出调节）转换器的评估而得出。在低线压时，占空比 (D1(θ)) 在 100% 和 68% 之间变化；而在高线压时，占空比 (D2(θ)) 在 100% 和 2% 之间变化。在整个线路循环中，并不是要完全地消除电感纹波电流。然而，对一个给定的电感而言，大幅降低输入纹波电流就足够了。在本例中，纹波电流的最大值将出现在低线压（占空比为 68%）达到峰值时。而在此占空比时，输入端的电感纹波电流值将为 55%。

　　占空比与相位角度的关系

图 3 常用 PFC 预调节器的占空比变化

　　2.2 磁量 (Magnetic Volume) 削减评估

　　消除电感纹波电流可使设计人员削减升压电感的磁量。这是因为两只交错式电感的储能要求只是设计用于相同功率电平、转换频率和电感的单级预调节器的一半。

　　升压电感的削减量可通过如下方法计算得出：在给定电感的情况下，将单级 PFC 预调节器 (WaAcSINGLE) 所要求的电感面积乘积与两相交错式预调节器电感 (WaAcINTERLEAVED) 所要求的面积乘积进行对比。电感 (L)、电感 RMS 电流(IRMS)、电流密度 (CD) 以及磁通密度 (B) 的准确数值并不要求在面积乘积中反映出削减量。

　　交错式总面积乘积（2 X WaAcINTERLEAVED）与单级预调节器面积乘积的比值为 0.5。这种结果显示：交错式实现了 50% 的面积乘积削减，从而导致升压磁量出现大幅削减。

　　如果以这种方式设计交错式 PFC 预调节器，那么就不会增大 EMI 滤波器的尺寸。通常的设计实践就是在低于 150 kHz 的 EMI 频带范围选择电源转换器的转换频率。转换频率的二次谐波将会是基频的两倍，极可能处于 EMI 频带范围之内。为此，需要对其进行滤波以满足规范的要求。将两只预调节器交错在输入端将会出现单相转换频率两倍的转换频率。这就意味着转换器的基频转换频率极有可能被推入 EMI 的频带范围，并达到各级转换频率的二次谐波值。然而，输入纹波电流被降低到了 2 倍。这不会对 EMI 滤波器产生任何额外的限制。

　　2.3 以占空比函数的形式降低输出电容器的纹波电流

　　图 4 所示为以占空比函数的形式，显示单级升压转换器的电容器额定输出 RMS 电流 (ICOUT(single)(D)) 以及两相交错式升压转换器的电容器额定 RMS 电流 (ICOUT (D))。图 4 表明了在相同的功率电平下，两相交错式输出电容器纹波电流是传统单级升压转换器的一半。RMS 电流的降低则可降低由电容器 ESR 损耗所导致的发热量，从而降低电气强度。