典型的兩級離線 PFC

　　PFC 離線功率轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)通常設(shè)計為兩級級聯(lián)型。第一級為一個升壓轉(zhuǎn)換器，這是因?yàn)樵撏負(fù)浣Y(jié)構(gòu)擁有連續(xù)輸入電流(通過使用乘法器可實(shí)現(xiàn)電流波形控制)以及可實(shí)現(xiàn)近似單位功率因數(shù)的平均電流模式控制。但是，升壓轉(zhuǎn)換器需要一個比輸入電壓更高的輸出電壓，和另外一個將輸出電壓降壓至可用電壓等級的轉(zhuǎn)換器(見圖 1)。

圖1 典型的兩級離線功率轉(zhuǎn)換器

　　升壓跟隨器的優(yōu)點(diǎn)

　　傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器的固定輸出電壓要比線電壓的最大峰值高出許多。但是，由于可設(shè)計步降轉(zhuǎn)換器應(yīng)對電壓變化，所以并不需要對升壓電壓進(jìn)行專門的調(diào)節(jié)或穩(wěn)壓。只要升壓電壓高于輸入電壓峰值，轉(zhuǎn)換器就能正常運(yùn)行。隨著線電壓峰值變化而改變升壓電壓有以下優(yōu)點(diǎn)(例如升壓跟隨器預(yù)調(diào)節(jié)器)：一是升壓電感器的尺寸縮小，二是低壓運(yùn)行時的較低開關(guān)損耗。圖 2 顯示了升壓跟隨器和傳統(tǒng)的 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器的輸出電壓隨著輸入電壓 (Vin(t)) 變化而變化的情況。

圖2 隨著輸入電壓變化，傳統(tǒng)升壓調(diào)節(jié)器和升壓跟隨器輸出電壓的變化情況

　　較低的升壓電感 (L)

　　升壓電感器的選擇是根據(jù)允許的最大紋波電流 (△I) 確定的，此時，線電壓 (Vin(min)) 和輸出電壓 (Vout(min)) 均為最低，而占空比 (D) 為最大。下面的方程式用來計算出樣機(jī)電源升壓功率級所需電感。最小輸出電壓峰值的減小導(dǎo)致最大占空比的減小，從而使升壓電感減少。

　　低壓運(yùn)行時較低的升壓開關(guān)損耗

　　在離線 PFC 轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換器的大部分功耗都來自于進(jìn)行升壓開關(guān)轉(zhuǎn)換 (Q1) 時的開關(guān)損耗。下面的方程式可以計算出FET開關(guān)損耗 (PFE_TR) 和部分 FET 寄生電容損耗 (PCOSS)。在下面的方程式中，IRMS_L表示流過升壓電感器的均方根電流，Ton和Toff為FET開關(guān)轉(zhuǎn)換次數(shù)，變量fs表示功率轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換頻率，Coss表示 FET寄生電容。從方程式可以推出，如果輸出電壓降低，開關(guān)損耗也將減少。升壓跟隨器的PFC轉(zhuǎn)換器在低壓運(yùn)行時，其輸出電壓要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的 PFC 升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，同時這也減少了開關(guān)損耗。

　　為了進(jìn)一步的說明，我們建立了使用通用線電壓(如 85Vac 至 265Vac)UCC3817 PFC 控制IC的兩個功率為 250W 的轉(zhuǎn)換器樣機(jī)。其中一個轉(zhuǎn)換器設(shè)計采用傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出電壓為 390V。另一個轉(zhuǎn)換器則是利用升壓跟隨器技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建的，輸出電壓可以在 230V 至 387.5V 之間進(jìn)行變化。低壓運(yùn)行時升壓跟隨器功率大約高出 2%~3%。請參見圖 3 進(jìn)行功率比較。

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圖3 傳統(tǒng)PFC和升壓跟隨器PFC在85Vrms時的效率

　　所需額外電路

　　設(shè)計一款帶有典型 PFC 控制器的升壓跟隨器 PFC 功率級并不困難，只需要 5 個額外電子元件即可(見圖 4)。

圖4 升壓跟隨器電路只需多增加5個元件

　　所需的額外電子元件分別為 C1、R1、R2、R4、Q1 和 D1，這些元件可以用于吸收電壓環(huán)路反饋中電壓放大器反相信號的額外電流。當(dāng)整流線電壓增高或降低時，Q1 吸取一個流經(jīng) R3 的對應(yīng)電流，從而導(dǎo)致輸出電壓隨著線壓的改變而改變。使用二極管來抵消 Q1基極發(fā)射極結(jié)溫 (Vbe) 的變化。電容 C1 和 R2 形成一個低通濾波器，可以消除由整流線電壓引起的紋波電壓。

　　應(yīng)用實(shí)例

　　本電路是為了使輸出電壓在 230V 至 390V 之間變化而設(shè)計的，大致為一個 2:1 的輸入范圍。設(shè)計本電路的第一步是建立分壓器，可以由 R3 和 R4 來組成。首先選擇 R3，然后使用下列方程式計算出 R4 所需的值。在本設(shè)計中，Vref 的值為 7.5V，Vout(最小)的值為 230V。

　　由 R1 和 R2 組成的分壓器，用來使 Q1 的基電壓在 1.4V 至 3.9V 之間變化。必須注意的是，不要使晶體管飽和。下列方程式可以用來選取 R2 的值：

　　在輸入電壓最小化至 85V 均方根電壓時，Vqb1(最小)是 Q1 的基電壓。Vd 是電路的正向二級管壓降。

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　　電容C1用來過濾出整流線電壓紋波。為了限制第三階諧波電流失真，安裝濾波器來將整流線頻率減至Q1基點(diǎn)最大電壓的1.5%(Vqb1(最大))。

　　本設(shè)計中，最大輸入電壓為 265V，線頻率(f_line)為 60Hz。

　　在最終設(shè)計中，輸出電壓隨線電壓的增長應(yīng)在設(shè)計電壓的 8% 以內(nèi)。除了Q1基極發(fā)射極電壓 (Vbe) 的電阻器容差和變化以外，二級管的正向電壓也是出現(xiàn)誤差的原因。在本應(yīng)用中，升壓電壓不需要一個嚴(yán)格的容差，因?yàn)橄掠无D(zhuǎn)換器會對 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器輸出電壓中任何異常的變化進(jìn)行校正。

　　參考文獻(xiàn)：

　　1. Loyd Dixon，《高功率因數(shù)轉(zhuǎn)換預(yù)調(diào)節(jié)器的優(yōu)化設(shè)計》，1990 年度 Unitrode 電源設(shè)計研討會 SEM-700 第七主題

　　2. Michael O'Loughlin，《UCC3819 250W 功率因數(shù)校正 (PFC) 升壓跟隨器預(yù)調(diào)節(jié)器的設(shè)計》，2002 年版 P1-12 頁，網(wǎng)址：www.ti.com

　　3. 《功率轉(zhuǎn)換》匯刊， 1992 年 9 月版 第 67 頁

　　4. 《關(guān)于電流模式電源的幾點(diǎn)實(shí)踐思考》、《Unitrode應(yīng)用手冊 SLUA110》以及《電源控制產(chǎn)品 (PS) 2000 說明書》，P3-559 頁

　　5. 《UCC3817 產(chǎn)品說明書》，網(wǎng)址：www.ti.com 《SLU395E》2001 年 4 月版第 8 頁