DCM_CCM臨界控制的APFC電路設計規(guī)范標準

1、DCM/CCM 臨界控制的APFC電路設計規(guī)范規(guī)范編碼：版本：V1.0密 級：機密安圣電氣研究管理部執(zhí)筆人:高擁兵頁數(shù)：共15頁DCM/CCM 臨界控制的APFC電路設計規(guī)范2000年6月22日發(fā)布2000年6月22日實施深圳市安圣電氣有限公司刖言本規(guī)范于2000年6月22日首次發(fā)布。本規(guī)范起草單位：二次/工業(yè)電源研究部、研究管理部技術管理處 本規(guī)范執(zhí)筆人：高擁兵本規(guī)范主要起草人：趙林沖、朱品華、李曉、董曉鵬本規(guī)范標準化審查人：劉善中本規(guī)范批準人：華麟本規(guī)范修改記錄：更改信息登記表規(guī)范名稱：DCM/CCM 臨界控制的APFC電路設計規(guī)范規(guī)范編碼：版本更改原因更改說明更改人更改時間摘要5縮寫詞/

2、關鍵詞/解釋51.來源52適用范圍53規(guī)范滿足的技術指標（特征指標）54. 詳細電路圖55. 工作原理簡介66. 設計、調試要點77局部PCB版圖（可選項）118. 元器件明細表（詳見附錄）119. 附錄13附錄1.元器件明細表13附錄2.應用反例（可選項）15摘要：本規(guī)范介紹了一種DCM/CCM臨界連續(xù)控制方式的APFC電路，該電路一般應用 于中小功率AC/DC電源整流模塊中(75W-1000W)，作為前置變換器，起輸入功率 因數(shù)校正作用。關鍵詞:DCM/CCM臨界控制9，APFC縮略詞解釋CCM : Continuous Current Mode ，電感電流連續(xù)模式DCM : Discon

3、tinuous Current Mode ，電感電流斷續(xù)模式APFC: Active Power Factor Correction ，有源功率因數(shù)校正1. 來源本規(guī)范中的電路來源于 GSM3.0 AC/DC模塊S2T24M1M1單板，已經(jīng)在GSM3.0AC/DC模塊中得到的批量使用驗證，與之相關的外圍單元電路有輸入 EMI電路、后級 雙管正激DC/DC變換電路。2. 適用范圍該單元電路可用于交流輸入的中小功率整流模塊中(75-1000W )，如一次電源10A整流模塊，工業(yè)電源的GSM3.0和HR項目，UPS的充電器等。3. 規(guī)范滿足的技術指標(特征指標)本單元電路在GSM3.0 AC/DC電

4、源的PFC電路得到驗證。該電源的規(guī)格為：輸入：AC 150V280V輸出：DC 407.5V開關頻率：變頻方式，滿載時最低工作頻率為34KHZ。輸出功率：900W (MAX )實際的測試結果表明，220V輸入條件下，輸入電流的THD值在5%以內(nèi)，輸入電流諧波滿足IEC1000-3-2( A)標準要求。功率因數(shù)大于0.99，效率為97.3%。4. 詳細電路圖圖1單元電路原理圖5. 工作原理簡介圖2 電感電流和MOSFET驅動波形電路原理圖和工作波形示意圖分別如圖1 ,圖2所示。PFC主電路采用通用的BOOST形式，從圖中可知其工作原理為 ：利用電阻R102，R114，R184，R185檢測PFC

5、電感T101電流，與基準相比較，當電流達到正弦基準電流（為輸入電壓信號與電壓環(huán)誤差放大器輸出的乘積）時，產(chǎn)生一個關斷信號斷開功率管Q102，隨之PFC電感 電流下降，當電路檢測到電感電流過零時，產(chǎn)生一個開通信號開通Q102，從而保持電 感電流始終工作于連續(xù)和斷續(xù)的臨界狀態(tài)，工作波形示意圖如圖2所示。PFC電感電流的峰值包絡線跟隨電流基準信號，是一個與輸入電壓同相的正弦波形 。通過差模電感 L101和電容C113，C174將PFC電感的峰值電流濾為平均值，就在輸入端得到一個與輸 入電壓同相的正弦電流。通過臨界連續(xù)控制方式，可方便實現(xiàn)單位輸入功率因數(shù)，并 因二極管D101的電流過零關斷可消除其反向

6、恢復損耗和寄生振蕩，使變換器的控制更加簡單，效率得到提高。6. 設計、調試要點設計中的關鍵在于PFC電感的設計，需綜合考慮輸入電壓范圍、輸出功率、最 低工作頻率、輸出電壓等參數(shù)設計。6.1 GSM3.0 AC/DC模塊DCM/CCM臨界控制APFC電路詳細設計計算6.1.1技術參數(shù)：輸入電壓：AC 150V280V輸出電壓：DC 407.5V輸出功率：0900W效率:0.97 （150VAC 輸入時大于 0.95）6.1.2 Boost電感計算:6.121電感量選取由于電感工作在斷續(xù)與連續(xù)邊界方式，峰值電感電流為：ISPomax2 詔9001 LP 一Vin min- 150 0.95 一 l

7、/9AtLpI l功率管開通時間為 “ 一 2Uin sin(1)電流基準為丨L = 21 in = 2蘢. 2 sin(2)將(2)代入(1)式得丄Lp2 眨 Po.2LpPoton = 2Uinsinsin =由以上推導過程可知，由于功率管導通時加在PFC電感上的電壓和峰值電流基 準波形相似，因此功率管的開通時間與輸入電壓相角無關。由于PFC電感工作于臨界連續(xù)方式，則有ton 2 U in Sin -（ VO 、2 U in Sin ） toff、2Uinsin變換得t = to n toff =Vo tonVo 2 Uin sintoff = V-2UinSin ton2LpVoPo將代

8、入得t - （Vo -2 U in sin ） Uin_ 2LpVoPo 則 tmaxVo72Uin U2,t max Or： 2 U in ） U 盒變換得Lp =2VoPo設最低工作頻率為33KHZ ,則tmax = 3US,Lp30 10-_150 0.95 15022 407.5 900二 191.9 H最終調整值為：190uH6.1.2.2電感設計采用雙磁芯 E42/21/15，其Ae 二 3.5&m ，取Bmax=0.35T，I Lmax = 1.5/R = 1.5 4/0.3 = 20A0.4 LImax 10 衛(wèi)則有AeBmax0.22cmBmaxN = 0.4 I max 1

9、0 = 30.5 ，取 N=30 匝正常工作時電感最大電流為2 2PoI Lmax = U in min2 2 9000.95 15017.9ABmax = NS =0.32T動態(tài)時電感電流峰值為20A，對應最大磁感應強度為0.356T，低于鐵氧體磁芯的一般飽和限值0.4T。正常工作時輸入電流有效值為PI in = U in min = 618A電感電流最大有效值為采用16*33#銅線4股并繞30匝。導線截面積為2mm2，最大電流密度為3.65A/mm2 。6.1.2.3電流過零檢測繞組設計功率管關斷時，PFC電感繞組最高電壓為最大輸出電壓，也即PFC俞出過壓點， 為1.08Vo=439V；最

10、低電壓為V2Uj n（ max）= 407.5-、2 280 = 11.5V。MC33368控制的電流過零檢測典型閥值為1.2-0.2=1.0V ,選取電感電流過零檢測繞組為3匝，匝比為1 10,驗算繞組參數(shù)如下：設模塊最高輸入過壓保護點為295Vac，則輔助繞組上最高電壓為439/10 = 43.9V，最低電壓為-295、2/10 = -41.7V。取電流過零檢測回路中43.9/0“ l , A串聯(lián)電阻為22K，則最大鉗位電流分別為221.54mA，占.7- （ q.7）221.86mA，滿足+5mA的檢測電流限制要求。在150-280Vac的正常輸入工作電壓范圍內(nèi)，PFC電感電流過零檢測繞

11、組在電流 過零前的最低電壓為11.5/10=1.15V，大于典型閥值1.0V，可保證在輸入電壓范圍內(nèi)正 確檢測電流過零信號。當輸入電壓超出此范圍時，將可能檢測不到正確的電流過零信 號，此時PFC電路也可工作，但將不能保證DCM/CCM臨界工作狀態(tài)，在輸入電壓峰值 點處（典型值為大于398V時），電感電流將可能處于連續(xù)工作方式。6.1.3電流檢測電阻在小功率應用中，功率管的電流檢測可利用串聯(lián)電阻來實現(xiàn)，電阻的取值需考慮工作電流峰值和控制芯片的過流保護點，驗算如下：功率管工作電流峰值即為PFC電感電流峰值，為17.9A。MC33368電流檢測峰值 點為1.5V。1.5在正常工作范圍內(nèi)實現(xiàn)電流檢測，

12、要求R 17.9二83.8m 。為了限制動態(tài)時功率管的峰值電流，該電阻取值不能太小，實際選取四個0.3歐/3瓦的金屬膜電阻并聯(lián)使用，這樣功率管動態(tài)時的最大峰值電流為0.3/4二20A6.1.4功率管的設計選取：1 C =上=5 2A功率管的電流有效值為Q2穩(wěn)態(tài)工作時功率管的峰值電流為17.9A，動態(tài)工作時功率管的峰值電流為20A。 功率管的電壓峰值為PFC俞出過壓保護點電壓u = 1.08Vo二439V。功率管 可選擇IXYS公 司 的IXFH32N50 或APT公司的APT5015BVFR/APT5015BVR( 500V 32A Rd=0.15)6.1.5二極管P o900二極管平均電流：

13、Io 一 V。- 407.5 - 22A二極管峰值電流為：17.9A，二極管的峰值電壓為439V。由于實現(xiàn)了輸出整流二極管的軟恢復，因此對其反向恢復性能要求較低，可選取 IXYS公司的：DSEI 30-06A (600V/37A/1.4V/35ns)6.1.6輸出濾波電容設輸出電容能夠維持10ms，輸出電壓跌落至380V。-2PotC2 900 0.01（u2_u2）407.52 3802 =847uF該電容工作時耐壓407.5V，最大可能電壓439V，取兩個450V，390uF的電解電容并聯(lián)，在電容上并470K，2W的放電電阻6.1.7整流橋后電容電容兩端最大電壓為417V,，該電容輸出峰值

14、電流為最大輸出 t) max為2tmax2I lp 1 = 3317.9/8 二 73.8A s設電容最大 V%20V，則有C(i t) max 73.8Vmax40 =1.85uF由于該電容中流過很大的紋波電流，選取ESR較低的電容，實際選取兩個當輸入電壓為150Vac時，忽略輸入差模電感紋波電流1uF/630V聚丙烯電容并聯(lián)，最大V為18.5V。6.1.8輸入差模濾波電感輸入差模電感的作用是濾除PFC電感電流中的高頻分量，設電感紋波電流小于1A，則要求1二 152.6uHtmax Vmax3318.5i 一 2實際選取電感為210uH，采用一個環(huán)形鐵粉芯磁芯CA132-26，兩個繞組差模方

15、向繞制，分別接入輸入相線和零線，線徑為1.2mm，匝數(shù)均為22匝。磁芯型號為 CA132-26，Bm = XT，Ae 二 Oam2,L Imax 210 6.2、遼 10-6Bm 二肯二 0.805 44 10/ = 0.52T 1.4T6.2 2繞線最大電流密度為F二&從/口口6.1.9驅動電路功率管的驅動采用對管推挽驅動方式，驅動的對管分別選為2N4401 ,2N4403 ,驅動電阻Rg=5.1歐。6.1.10吸收電路在DCM/CCM控制方式下，功率管關斷峰值電流較大，其幅值為輸入電流峰值 的兩倍，在輸入或輸出動態(tài)跳變時關斷電流峰值會更大。為保證功率管安全工作，需要加吸收電路。RC吸收具有

16、電路形式簡單，吸收效果較好等優(yōu)點。設功率管關斷時間為1100ns,則有二RCtoff = 33ns，經(jīng)過實驗確定吸收電路參數(shù)為R= 33 ，C = 330pF。6.2整機指標變化時的相應調整辦法當電路的參數(shù)發(fā)生變化，如輸入電壓范圍，輸出電壓值，輸出功率等參數(shù)發(fā)生變化時，可根據(jù)第6.1中計算方法設計選取相應參數(shù)。6.3 PCB布板考慮因素6.3.1由于該電路采用峰值電流控制方式，電流采樣信號對于干擾很敏感，需注意電 流采樣信號回路，盡量減小其長度和面積。6.3.2 布板時盡量減小D101陽極與Q102漏極之間的連線長度，以減小線路寄生電 感、降低Q102電壓尖峰。6.3.3 D103應靠近Q10

17、2放置，以有效抑制功率管柵極震蕩負壓。6.3.4 在滿足安規(guī)要求的前提下盡量減小功率回路面積，以減小EMI干擾。7局部PCB版圖（可選項）0S2tS4mln）Lpch8.元器件明細表參見附錄1元器件明細表9. 附錄附錄1.元器件明細表兀件位置序號MRPII編碼主要參數(shù)廠家型號第二供應商及型號第三供應L10110011070210UH-9A萬興S2T24M1L3金駿T10110011072190UH-20A海光S2T24M1L1萬興G101 , G10215030010600V/6ARECTRONRS605Q10215060072500V/32AIXYSIXFH32N50APT APT5015B

18、VFRQ1011505000240V/0.6AMOTOROLA2N4401Q1031505000340V/0.6AMOTOROLA2N4403D10115010075600V/30AIXYSDSEI30-06D10315010020100V/1AIR11DQ10MOTOROLAMBR1100D1411504002418V/1WMOTOROLA1N4746AC113 , C17408030123630V/1UF廈門法拉CBB20-630V-105-KC1010801004025V/100UFNICHICONUPL1E101MEHNCCC1020803014763V/0.1UF自貢雙峰CL21X-

19、63-100nJC170080300611000V/330pF成都宏明C12-D 1000V-330pFC17308030030630V/0.01uF廈門法拉CL21-630V-103-KF10C109 , C11008010339450V/390uFNICHICONLLU2W391MHLCR102, R114070106650.3/3WKOASPRX3T631A0.3 JR184，R185R1830701066133/3W四川永星RY21-3W-33-JKOAR10907010584丄5.1/ 4 W四川永星RJ14-1/4W-5.1-FKOAR11007010656470K/2WKOASP

20、R2T52A470KJR113070105591 2K/ 4 W四川永星RJ14-1/4W-2K-FKOA控制電路參數(shù)見DCM/CCM臨界模式的APFC控制電路設計規(guī)范（分頁）附錄2.應用反例（可選項）3.8.1驅動電路開始預研時PFC功率管采用如圖4所示的驅動電路，加電工作時出現(xiàn)MC33368的 電壓基準不穩(wěn)的問題，導致PFC輸出電壓不穩(wěn)，紋波達數(shù)十伏，需要在MC33368的基 準端外接電壓基準對其強制穩(wěn)壓后才能正常工作。MOTOROLA公司工程師建議在MC33368的驅動信號輸出及地之間接一個肖特基二極管，以抑制可能出現(xiàn)的負壓對控制芯片CMOS電路工作產(chǎn)生影響。為此，他們也制作了一塊電路板，采用MC33368輸出直接驅動功率管方式，工作一切正常。