一種臨界導電模式的功率因數校正電路

謝 正

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

開關電源因效率高、成本低，而在各個領域獲得了廣泛應用。但是采用傳統的非控整流開關電源，輸入端有整流元件和濾波電容，輸入阻抗呈容性，網側輸入電壓和輸入電流間存在較大相位差，加上輸入電流嚴重非正弦，故功率因數極低，諧波分量很高，給電力系統帶來了嚴重的諧波污染。采用有源功率校正技術后電網側功率因數可提高到0.95～0.99，既治理了電網的諧波污染，又提高了開關電源的整體效率［1］。

有源功率因數校正(Active Power Factor Correction，APFC)是在整流器和負載之間接入開關變換器，應用電流反饋技術，使輸入電流波形跟蹤正弦電壓波形，迫使輸入電流接近正弦波。按照電路中的電感電流工作狀態，APFC電路可分為3種類型:連續導電模式、斷續導電模式和臨界導電模式。其中，臨界導電模式介于連續和斷續之間，具有功率因數高、功率開關管零電流導通、功率二極管損耗小、控制電路簡單等優點［2］。臨界導電模式功率因數校正技術正逐步應用于中、小功率設備的功率因數校正環節中。

1 電路結構與基本原理

理論上任何一種開關變換器的拓撲都可以用來實現接近于1的高功率因數。但在實際應用中最普遍使用的是Boost變換器，它有以下3個優點:(1)電路器件少，經濟性強;(2)電感位于整流橋與開關管之間，輸入電壓的di/dt很小，輸入端的噪音低;(3)功率開關管源端對地，易于驅動。

Boost有源功率因數的基本電路結構，如圖1所示。其主電路由單相橋式整流器和DC-DC Boost變換器組成;功率開關由控制電路控制，工作在高頻通斷狀態。其控制電路包括電壓反饋和電流反饋信號，具體工作過程如下:主回路的輸出電壓Uo和基準電壓Uref比較后，輸入給電壓誤差放大器(VA);整流電壓檢測值Uk和輸出電壓信號Uerr共同加到乘法器的輸入端，乘法器的輸出作為電流反饋控制的基準信號;電流誤差放大器(CA)的輸出與電感零電流檢測器的輸出作為開關管Q1驅動器的輸入信號，控制開關管的開通和關斷，保證電感電流的峰值跟蹤整流電壓，從而使輸入電流(電感電流的平均值)與輸入電壓的波形基本一致，提高輸入端功率因數，降低電流畸變程度［3］。由于電感零電流檢測器的引入，開關管只能在電感電流下降為零時開通，Boost電路工作在介于斷續導電模式和連續導電模式之間的臨界導通模式［4］。這樣，一方面降低了D2關斷時反向恢復電流對開關管的沖擊作用;另一方面將輸入電流限定為電感電流峰值的1/2。

圖1 Boost有源功率因數校正電路結構

2 主電路參數設計

設計時需考慮電網電壓的實際波動，一般要求用寬輸入范圍(170 V～260 V)的功率因數校正電路。

2.1 升壓電感器的設計

在圖1中，L的初級線圈Lp是APFC預調整器的升壓電感，即Boost電路的主電感。L的次級線圈Ls的作用:一是作為零電流檢測傳感器;二是為功率因數校正芯片提供工作所需的直流電源。因此，升壓電感器的設計是APFC電路中的關鍵。

首先，確定Lp的值。對于工作在臨界導通模式的APFC電路來說，Lp電感量的確定原則是保證功率開關管的最低開關頻率大于芯片所能輸出的最小驅動頻率。根據前面的分析，在交流電源的每一個半波內，功率開關管的開關周期，可用式(1)表示

從而可得到功率開關管的開關頻率

式中:Uinrms為輸入電網電壓有效值;Lp為升壓電感值;Po為輸出功率;θ為0～π。

由式(2)可知，當θ=π/2時，fsw(θ)的值最小。因此，最小開關頻率fswmin(θ)可以表示為

令

則電網電壓Uinrms和負載功率Po在一定范圍內波動時，A的圖形如圖2所示。

圖2 A與電網電壓Uin rms和負載功率Po的關系

從圖2中可以看出，電網電壓Uinrms和負載功率Po都為最大時，A的值最小，因此

式中:Pomax為最大輸出功率;Uinrmsmax為最大電網電壓有效值。

一般取fswmin(θ)=20 kHz，計算得出L=207，實際設計取 L=210 μH。

為了實現零電流檢測功能，初級線圈Lp和次級線圈Ls的匝數比m應滿足關系式(5)

式中:M為MC33262芯片資料推薦的保證零電壓檢測電路正常工作的正向邊緣電壓閾值，其推薦值為1.6。

次級線圈Ls除了實現零電流功能外，還要為芯片MC33262提供電源，根據經驗取該線圈的匝數為原邊繞組的1/4。

2.2 乘法器電阻的選擇

電網電壓經全波整流，通過 R1和 R2分壓，被MC33262的③腳檢測，③腳輸入電壓Vk的最大值被限制在3 V，因此

取 R1=1.36 MΩ，則 R2≈10 kΩ。

2.3 電感電流取樣電阻的選擇

乘法器的輸出Umo決定Ucs(MC33262的④腳)的輸入門限電壓，④腳的輸入電壓不能超過1.4 V，一般取Ucs=1 V。考慮到電網電壓和負載的波動情況，取樣電阻R3的值可以通過式(7)計算

一般 R3取0.2 Ω。

2.4 誤差放大器外接元件的選擇

誤差放大器偏置電阻R4、R5和輸出電壓Ubus存在如下關系

式中:Uref為芯片內部基準電壓(2.5 V)。取R4=1 MΩ，則 R5≈6.2 kΩ。

誤差放大器輸出對地電容C1用作抑制APFC升壓變換器輸出電壓紋波。設跨導型誤差放大器導抗gm=100 μmhos，帶寬 BW=20 Hz ～30 Hz，則 C1可利用下式求出

實際應用中 C1取 0.68 μF。

2.5 輸出電容的設計

輸出電容的選擇取決于額定輸出電壓、最大允許過電壓、輸出功率和輸出電壓紋波。基本電容值為

式中:ωo為紋波電壓的角頻率;Io為輸出電流;ΔUo為紋波電壓值，一般為輸出電壓的1% ～5%。

輸出電容的耐壓值要超過控制電路過壓保護的電壓值，高頻等效串聯電阻要小，溫度范圍要寬，而實際選取電容量為470 μF，耐壓值為450 V。

2.6 控制芯片的選擇

控制電路的參數設計對于滿足寬輸入輸出范圍的功率因數校正的設計要求極為重要。設計的目標不僅在于確保帶寬足夠窄以達到高功率因數，而且要保證一定的相角才可以使系統在大范圍內穩定。

目前，市場上有很多基于臨界導電模式設計的APFC集成芯片。用MC33262作為控制器的APFC升壓式功率因數校正電路如圖3所示。控制芯片采用恒導通時間控制技術的乘法器方式，其誤差放大器是跨導型的［5］。

圖3 用MC33262設計的APFC升壓式變換器

3 電路試驗結果

圖4所示為輸入電壓分別為170 V和260 V時的輸入電壓電流波形，從圖中可見APFC電路使輸入電流能很好的跟蹤輸入電壓，有很好的平滑度，實測功率因數達到 0.99。

圖4 輸入電壓不同時輸入電壓電流波形

圖5所示波形是APFC電路輸出直流母線電壓的上電響應和電壓紋波。從圖中可以看出，輸出直流母線電壓紋波的峰值為12 V左右。圖6給出了APFC主電感上的工作電流波形，所用電流采樣電阻為0.2 Ω，從圖中可以看出，此時電路工作在臨界電流狀態。

圖5 直流母線電壓的上電響應和紋波

圖6 APFC主電感電流試驗波形

4 結束語

本文從分析臨界導電模式Boost功率因數校正電路的本質出發，利用經典控制理論，綜合分析了各種常用的臨界導電模式Boost功率因數校正電路集成芯片，為合理設計電路參數提供了依據，總結了實用的電路參數設計方法，并用實驗證實了設計方法的實用性。

［1］劉 健，劉樹林，王兆安.單級功率因數校正DCM組合變換器的穩定性［J］.電子學報，1999，27(10):51-54.Liu Jian，Liu Shulin，Wang Zhaoan.Stability of single stage power-factor-correction DCM intergraded converters［J］.Acta Electronica Sinica，1999，27(10):51-54.

［2］酈 強，鄧 焰，何湘寧.不同控制策略的小功率Boost-APFC 性能研究［J］.電力電子技術，2005，39(6):27-29.Li Qiang，Deng Yan，He Xiangning.Research on low power Boost-APFC with different control strategies［J］.Power E-lectronics，2005，39(6):27-29.

［3］倪志紅.1 100 W開關電源前級功率因數校正技術的研究［J］.現代雷達，2004，26(6):63-66.Ni Zhihong.A study on the former PFC technology of 1 100 W switching-power［J］.Modern Radar，2004，26(6):63-66.

［4］王 杰.臨界導電模式下BOOST變換器功率因數校正電路設計［J］.機電工程，2011，28(5):616-619.Wang Jie.Design on PFC circuit of BOOST converter under critical conduction mode［J］.Journal of Mechanical＆ Electrical Engineering，2011，28(5):616-619.

［5］毛明平，吳志紅，陶生桂.基于MC33262的高功率因數AC/DC變換器研制［J］.同濟大學學報:自然科學版，2004，32(5):672-675.Mao Mingping，Wu Zhihong，Tao Shenggui.Research on AC/DC converter with high power factor based on MC33262［J］.Journal of Tongji University:Natural Science Edition，2004，32(5):672-675.