DCM-CCM 臨界控制的APFC電路設(shè)計(jì)規(guī)范

...wd......wd......wd...-DCM/CCM臨界控制的APFC電路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)編碼：版本：V1.0密級(jí)：機(jī)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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)2000年6月22日發(fā)布 2000年6月22日實(shí)施深圳市安圣電氣前言本標(biāo)準(zhǔn)于2000年6月22日首次發(fā)布。本標(biāo)準(zhǔn)起草單位：二次/工業(yè)電源研究部、研究管理部技術(shù)管理處本標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)筆人：高擁兵本標(biāo)準(zhǔn)主要起草人：趙林沖、朱品華、李曉、董曉鵬本標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)化審查人：劉善中本標(biāo)準(zhǔn)批準(zhǔn)人：華麟本標(biāo)準(zhǔn)修改記錄：更改信息登記表標(biāo)準(zhǔn)名稱:DCM/CCM臨界控制的APFC電路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)編碼:版本更改原因更改說明更改人更改時(shí)間目錄摘要..............................................................5縮寫詞/關(guān)鍵詞/解釋........................................................51.來源...........................................................52.適用范圍...................................................53.標(biāo)準(zhǔn)滿足的技術(shù)指標(biāo)〔特征指標(biāo)〕...........................54.詳細(xì)電路圖...............................................55.工作原理簡(jiǎn)介...........................................66.設(shè)計(jì)、調(diào)試要點(diǎn).......................................77.局部PCB幅員〔可選項(xiàng)〕...........................................118.元器件明細(xì)表(詳見附錄)............................................119.附錄...........................................................13附錄1.元器件明細(xì)表...............................13附錄2.應(yīng)用反例〔可選項(xiàng)〕.......................................15摘要：本標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)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(guān)鍵詞：DCM/CCM臨界控制，APFC縮略詞解釋CCM：ContinuousCurrentMode，電感電流連續(xù)模式DCM：DiscontinuousCurrentMode，電感電流斷續(xù)模式APFC：ActivePowerFactorCorrection，有源功率因數(shù)校正1.來源本標(biāo)準(zhǔn)中的電路來源于GSM3.0AC/DC模塊S2T24M1M1單板，已經(jīng)在GSM3.0AC/DC模塊中得到的批量使用驗(yàn)證，與之相關(guān)的外圍單元電路有輸入EMI電路、后級(jí)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工程，UPS的充電器等。3.標(biāo)準(zhǔn)滿足的技術(shù)指標(biāo)〔特征指標(biāo)〕本單元電路在GSM3.0AC/DC電源的PFC電路得到驗(yàn)證。該電源的規(guī)格為：輸入：AC150V~280V輸出：DC407.5V開關(guān)頻率：變頻方式，滿載時(shí)最低工作頻率為34KHz。輸出功率：900W〔MAX〕實(shí)際的測(cè)試結(jié)果說明，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(biāo)準(zhǔn)要求。功率因數(shù)大于0.99，效率為97.3%。4.詳細(xì)電路圖圖1單元電路原理圖5.工作原理簡(jiǎn)介EMBED圖2電感電流和MOSFET驅(qū)動(dòng)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(cè)PFC電感T101電流，與基準(zhǔn)相比較，當(dāng)電流到達(dá)正弦基準(zhǔn)電流〔為輸入電壓信號(hào)與電壓環(huán)誤差放大器輸出的乘積〕時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)關(guān)斷信號(hào)斷開功率管Q102，隨之PFC電感電流下降，當(dāng)電路檢測(cè)到電感電流過零時(shí)，產(chǎn)生一個(gè)開通信號(hào)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(luò)線跟隨電流基準(zhǔn)信號(hào)，是一個(gè)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(gè)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(shí)現(xiàn)單位輸入功率因數(shù)，并因二極管D101的電流過零關(guān)斷可消除其反向恢復(fù)損耗和寄生振蕩，使變換器的控制更加簡(jiǎn)單，效率得到提高。6.設(shè)計(jì)、調(diào)試要點(diǎn)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵在于PFC電感的設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)。6.1GSM3.0AC/DC模塊DCM/CCM臨界控制APFC電路詳細(xì)設(shè)計(jì)計(jì)算6.1.1技術(shù)參數(shù)：輸入電壓：AC150V～280V輸出電壓：DC407.5V輸出功率：0～900W效率：≥0.97(150VAC輸入時(shí)大于0.95〕6.1.2Boost電感計(jì)算：6.1.2.1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：功率管開通時(shí)間為(1)電流基準(zhǔn)為(2)將〔2〕代入〔1〕式得(3)由以上推導(dǎo)過程可知，由于功率管導(dǎo)通時(shí)加在PFC電感上的電壓和峰值電流基準(zhǔn)波形相似，因此功率管的開通時(shí)間與輸入電壓相角無關(guān)。由于PFC電感工作于臨界連續(xù)方式，那么有變換得(4)(5)將(3)代入(5)得那么變換得設(shè)最低工作頻率為33KHz，那么，最終調(diào)整值為：190uH6.1.2.2電感設(shè)計(jì)采用雙磁芯E42/21/15，其，取Bmax=0.35T，那么有，取N=30匝正常工作時(shí)電感最大電流為動(dòng)態(tài)時(shí)電感電流峰值為20A，對(duì)應(yīng)最大磁感應(yīng)強(qiáng)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(shí)輸入電流有效值為電感電流最大有效值為采用16*33#銅線4股并繞30匝。導(dǎo)線截面積為，最大電流密度為3.65A/mm2。6.1.2.3電流過零檢測(cè)繞組設(shè)計(jì)功率管關(guān)斷時(shí)，PFC電感繞組最高電壓為最大輸出電壓，也即PFC輸出過壓點(diǎn)，為1.08Vo=439V；最低電壓為。 MC33368控制的電流過零檢測(cè)典型閥值為1.2-0.2=1.0V，選取電感電流過零檢測(cè)繞組為3匝，匝比為1∶10，驗(yàn)算繞組參數(shù)如下：設(shè)模塊最高輸入過壓保護(hù)點(diǎn)為295Vac，那么輔助繞組上最高電壓為，最低電壓為。取電流過零檢測(cè)回路中串聯(lián)電阻為22K，那么最大鉗位電流分別為，，滿足±5mA的檢測(cè)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(cè)繞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(cè)電流過零信號(hào)。當(dāng)輸入電壓超出此范圍時(shí)，將可能檢測(cè)不到正確的電流過零信號(hào)，此時(shí)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(diǎn)處〔典型值為大于398V時(shí)〕，電感電流將可能處于連續(xù)工作方式。6.1.3電流檢測(cè)電阻在小功率應(yīng)用中，功率管的電流檢測(cè)可利用串聯(lián)電阻來實(shí)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(hù)點(diǎn)，驗(yàn)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(cè)峰值點(diǎn)為1.5V。在正常工作范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)電流檢測(cè)，要求。為了限制動(dòng)態(tài)時(shí)功率管的峰值電流，該電阻取值不能太小，實(shí)際選取四個(gè)0.3歐/3瓦的金屬膜電阻并聯(lián)使用，這樣功率管動(dòng)態(tài)時(shí)的最大峰值電流為。6.1.4功率管的設(shè)計(jì)選取：功率管的電流有效值為穩(wěn)態(tài)工作時(shí)功率管的峰值電流為17.9A，動(dòng)態(tài)工作時(shí)功率管的峰值電流為20A。功率管的電壓峰值為PFC輸出過壓保護(hù)點(diǎn)電壓。功率管可選擇IXYS公司的IXFH32N50或APT公司的APT5015BVFR/APT5015BVR〔500V32ARd=0.15)6.1.5二極管二極管平均電流：二極管峰值電流為:17.9A，二極管的峰值電壓為439V。由于實(shí)現(xiàn)了輸出整流二極管的軟恢復(fù)，因此對(duì)其反向恢復(fù)性能要求較低，可選取IXYS公司的：DSEI30-06A〔600V/37A/1.4V/35ns)6.1.6輸出濾波電容設(shè)輸出電容能夠維持10ms，輸出電壓跌落至380V。847uF該電容工作時(shí)耐壓407.5V，最大可能電壓439V，取兩個(gè)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，當(dāng)輸入電壓為150Vac時(shí)，忽略輸入差模電感紋波電流，該電容輸出峰值電流為最大輸出為設(shè)電容最大為±20V，那么有由于該電容中流過很大的紋波電流，選取ESR較低的電容，實(shí)際選取兩個(gè)/聚丙烯電容并聯(lián)，最大為±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(shè)電感紋波電流小于±1A，那么要求實(shí)際選取電感為210uH，采用一個(gè)環(huán)形鐵粉芯磁芯CA132-26，兩個(gè)繞組差模方向繞制，分別接入輸入相線和零線，線徑為Ф1.2mm，匝數(shù)均為22匝。磁芯型號(hào)為CA132-26，，，繞線最大電流密度為6.1.9驅(qū)動(dòng)電路功率管的驅(qū)動(dòng)采用對(duì)管推挽驅(qū)動(dòng)方式，驅(qū)動(dòng)的對(duì)管分別選為2N4401，2N4403，驅(qū)動(dòng)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(guān)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(dòng)態(tài)跳變時(shí)關(guān)斷電流峰值會(huì)更大。為保證功率管安全工作，需要加吸收電路。 RC吸收具有電路形式簡(jiǎn)單，吸收效果較好等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)功率管關(guān)斷時(shí)間為100ns，那么有，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)確定吸收電路參數(shù)為，。6.2整機(jī)指標(biāo)變化時(shí)的相應(yīng)調(diào)整方法當(dāng)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(shí)，可根據(jù)第6.1中計(jì)算方法設(shè)計(jì)選取相應(yīng)參數(shù)。6.3PCB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(hào)對(duì)于干擾很敏感，需注意電流采樣信號(hào)回路，盡量減小其長(zhǎng)度和面積。6.3.2布板時(shí)盡量減小D101陽極與Q102漏極之間的連線長(zhǎng)度，以減小線路寄生電感、降低Q102電壓尖峰。6.3.3D103應(yīng)靠近Q102放置，以有效抑制功率管柵極震蕩負(fù)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幅員〔可選項(xiàng)〕8.元器件明細(xì)表參見附錄1?元器件明細(xì)表?9.附錄附錄1.元器件明細(xì)表元件位置序號(hào)MRPII編碼主要參數(shù)廠家型號(hào)第二供應(yīng)商及型號(hào)第三供應(yīng)商及型號(hào)L10110011070210uH-9A萬興S2T24M1L3金駿T10110011072190uH-20A海光S2T24M1L1萬興G101，G10215030010600V/6ARECTRONRS605Q10215060072500V/32AIXYSIXFH32N50APTAPT5015BVFRQ1011505000240V/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-63-100nJC170080300611000V/330pF成都宏明C12-D1000V-330pFC17308030030630V/0.01uF廈門法拉CL21-630V-103-KF10C109，C11008010339450V/390uFNICHICONLLU2W391MHLCR102，R114R184，R185070106650.3/3WKOASPRX3T631A0.3JR1830701066133/3W四川永星RY21-3W-33-JKOAR109070105845.1/W四川永星RJ14-1/4W-5.1-FKOAR11007010656470K/2WKOASPR2T52A470KJR113070105592K/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(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)?！卜猪摗掣戒?.應(yīng)用反例〔可選項(xiàng)〕3.8.1驅(qū)動(dòng)電路開場(chǎng)預(yù)研時(shí)PFC功率管采用如圖4所示的驅(qū)動(dòng)電路，加電工作時(shí)出現(xiàn)MC33368的電壓基準(zhǔn)不穩(wěn)的問題，導(dǎo)致PFC輸出電壓不穩(wěn)，紋波達(dá)數(shù)十伏，需要在MC33368的基準(zhǔn)端外接電壓基準(zhǔn)對(duì)其強(qiáng)制穩(wěn)壓后才能正常工作。MOTOROLA公司工程師建議在MC33368的驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出及地之間接一個(gè)肖特基二極管，以抑制可能出現(xiàn)的負(fù)壓對(duì)控制芯片CMOS電