MC33262有源功率因數(shù)校正技術(shù)(APFC)

有源功率因數(shù)校正技術(shù)(APFC)在開關(guān)電源中的應(yīng)用研究近年來(lái)，開關(guān)電源因效率高，成本低，而在各個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。但是采用傳統(tǒng)的非控整流開關(guān)電源，由于輸入阻抗呈容性，網(wǎng)側(cè)輸入電壓和輸入電流間存在較大相位差，加上輸入電流嚴(yán)重非正弦，并呈脈沖狀，故功率因數(shù)極低，諧波分量很高，給電力系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)重的諧波污染。為此，國(guó)際電工委員會(huì)早在90年代初就制定了IEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格限定設(shè)備的功率因數(shù)必須接近于1，提高開關(guān)電源的功率因數(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)電源廠商的當(dāng)務(wù)之急。由于輸入端有整流元件和濾波電容，單相AC/DC開關(guān)電源及大部分整流電源供電的電子設(shè)備，其電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅為0.65左右。采用有源功率校正技術(shù)后可提高到0.95～0.99，既治理了電網(wǎng)的諧波污染，又提高了開關(guān)電源的整體效率。有源功率因數(shù)校正主要是在整流濾波和DC/DC功率級(jí)之間串入一個(gè)有源PFC作為前置級(jí)，用于提高功率因數(shù)和實(shí)現(xiàn)DC/DC級(jí)輸入的預(yù)穩(wěn)，用作PFC電路的功率級(jí)基本上是升壓型Boost變換器，它具有效率高、電路簡(jiǎn)單、適用電源功率高等優(yōu)點(diǎn)。開關(guān)電源同時(shí)是一個(gè)重要的電磁干擾源，所以減少和抑制開關(guān)電源的電磁發(fā)射成為3C認(rèn)證中的關(guān)鍵，也是開關(guān)電源設(shè)計(jì)中的重要課題。開關(guān)電源中的功率開關(guān)管在高頻下的通、斷過程產(chǎn)生大幅度的電壓和電流跳變，從而產(chǎn)生強(qiáng)大的電磁騷擾。濾波是壓縮干擾頻譜的基本手段，抗EMI濾波器是EMC技術(shù)的基礎(chǔ)元器件之一。在開關(guān)電源的濾波器設(shè)計(jì)中，磁性元件中電感的材料選取及電感取值的設(shè)定，對(duì)于開關(guān)電源的電磁兼容設(shè)計(jì)至關(guān)重要。APFC控制技術(shù)原理APFC技術(shù)主要采用一個(gè)變換器串入整流濾波與DC/DC變換器之間，通過特殊的控制，一方面強(qiáng)迫輸入電流跟隨輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)；另一方面反饋輸出電壓使之穩(wěn)定，從而使DC/DC變換器的輸入實(shí)現(xiàn)預(yù)穩(wěn)。功率因數(shù)補(bǔ)償控制專用芯片MC33262的電流控制方式是峰值電流控制方式。它的基本思想是采用一個(gè)正弦基準(zhǔn)電流作為上限，由輸出檢測(cè)信號(hào)經(jīng)誤差放大后與輸入全波電壓的檢測(cè)信號(hào)相乘獲得，下限則為零。具體過程是通過檢測(cè)開關(guān)電流與正弦基準(zhǔn)電流相比較，當(dāng)達(dá)到該基準(zhǔn)電流時(shí)關(guān)斷開關(guān)，在電感電流為零時(shí)再次開通。這種控制使得電感電流為臨界電流工作狀態(tài)。檢測(cè)開關(guān)管流過電流，將所得電壓信號(hào)送入MC33262內(nèi)部的零電流比較器。該比較器電流基準(zhǔn)值由乘法器輸出供給。乘法器有兩個(gè)輸入，一個(gè)是變換器輸出電壓與基準(zhǔn)電壓之間的誤差信號(hào)；另一個(gè)為全波整流后輸出電壓采樣值。因此電流基準(zhǔn)為雙半波正弦電壓，令電感電流的峰值包絡(luò)線跟蹤該輸入電壓的波形，使輸入電流與輸入電壓同相位，并接近正弦。當(dāng)輸出電壓上升時(shí)，誤差放大器輸出電壓下降，使乘法器輸出的基準(zhǔn)電流值下降，開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間縮短，流過電感的電流下降，從而使輸出電壓下降。反之，使輸出電壓上升，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。由于乘法器輸入取樣來(lái)自全橋整流的輸出，所以乘法器的輸出和全橋整流輸出電壓波形的相位相同，從而使電感電流的平均值和整流輸出電壓同相，達(dá)到功率因數(shù)補(bǔ)償之目的。這種控制方式的主要優(yōu)點(diǎn)：工作在電流連續(xù)狀態(tài)，開關(guān)電流額定值小，電流有效值小，EMI濾波器小；比其它電流控制方法易于實(shí)現(xiàn)快速過流保護(hù)。需要注意的問題是：電感電流的峰值(它是控制的基準(zhǔn))與高頻狀態(tài)空間平均值之間的誤差，在一定時(shí)間內(nèi)相當(dāng)大，以至無(wú)法滿足使THD很小的要求，電源電壓過零時(shí)電流失真較大；控制電路復(fù)雜，需檢測(cè)開關(guān)電流；峰值對(duì)噪聲相當(dāng)敏感。該功率因數(shù)校正電路同時(shí)引入電壓和電流反饋，構(gòu)成一個(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng)，具有整流和穩(wěn)壓功能，即整流要求輸入功率因數(shù)為0.9以上，實(shí)現(xiàn)輸入電流整形，使之成為與電壓同相位的標(biāo)準(zhǔn)正弦波，穩(wěn)壓要求輸出電壓穩(wěn)定。采用MC33262構(gòu)成的有源功率因數(shù)校正電路的最大特點(diǎn)是采用零電流導(dǎo)通模式控制，開關(guān)MOS管的通、斷受控于MC33262芯片內(nèi)的零電流檢測(cè)器，當(dāng)零電流檢測(cè)器中的電流降為零時(shí)，MOS管導(dǎo)通，此時(shí)電感L開始儲(chǔ)能，電流增加。APFC硬件電路結(jié)構(gòu)輸入端電路分析輸入瞬間電壓保護(hù)為了避免輸入端電壓由于雷電、電感性開關(guān)等因素的影響而產(chǎn)生的電壓尖峰對(duì)電源造成不利影響，采用金屬氧化物壓敏電阻并接在交流輸入端對(duì)瞬態(tài)電壓進(jìn)行抑制。壓敏電阻起到一個(gè)可變阻抗的作用，當(dāng)高壓尖峰瞬間出現(xiàn)在壓敏電阻兩端時(shí)，它的阻抗減小到一個(gè)低值，消除了尖峰電壓使得輸入電壓達(dá)到安全值。瞬間能量消耗在壓敏電阻上。輸入浪涌電流抑制隔離式開關(guān)電源在加電時(shí)，由于濾波電容充電的影響，在開關(guān)管開始導(dǎo)通的瞬間，電容對(duì)交流呈現(xiàn)出很低的阻抗，在輸入端會(huì)產(chǎn)生極高的浪涌電流。所以必須在電源的輸入端采取限流措施，以求能夠有效地將浪涌電流減小到允許的范圍之內(nèi)。本文采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(NTC)串聯(lián)在交流輸入端，用以增加對(duì)交流線路的阻抗，把浪涌電流減小到安全值。當(dāng)開關(guān)電源接通時(shí)，熱敏電阻的阻值基本上是電阻的標(biāo)稱值。這樣，由于阻值較大，它就限制了浪涌電流。當(dāng)電容開始充電，充電電流流過熱敏電阻，開始對(duì)其加熱。由于熱敏電阻具有負(fù)溫度系數(shù)，隨著電阻的加熱，其電阻值開始下降，如果熱敏電阻選擇合適，在負(fù)載電流達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，其阻值應(yīng)該是最小，這樣，就不會(huì)影響整個(gè)開關(guān)電源的效率。濾波電路設(shè)計(jì)電磁干擾會(huì)對(duì)電氣產(chǎn)品的正常工作產(chǎn)生很大的干擾，如干擾過大，會(huì)影響整個(gè)產(chǎn)品的3CR認(rèn)證要求和控制部分的正常工作，而電源濾波器則是開關(guān)電源EMC設(shè)計(jì)的重要部件。交流輸入電路與L和C組成的低通濾波網(wǎng)絡(luò)相連，其作用是抑制電網(wǎng)上來(lái)的電磁干擾，同時(shí)，它還對(duì)開關(guān)電源本身產(chǎn)生的電磁干擾有抑制作用，以保證電網(wǎng)不受污染。在本次實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)圖中，采用L和C組成常模和共?？垢蓴_回路，這種組合對(duì)各種高頻干擾信號(hào)的抑制作用較好。高頻開關(guān)電源產(chǎn)生的EMI主要以傳導(dǎo)干擾和近場(chǎng)干擾為主。共模干擾和差模干擾是傳導(dǎo)干擾的兩種基本模態(tài)，EMI濾波器是目前使用最廣泛，也是最有效的開關(guān)電源傳導(dǎo)干擾抑制方法之一。EMI濾波器不但要抑制差模干擾，也必須抑制共模干擾，它的基本電路可以參照后面給出的實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)圖。共模扼流圈一般在鐵氧體上繞制，因?yàn)殍F氧體的導(dǎo)磁率很高，可以獲得很大的電感量，而由于共模扼流圈的特殊繞制方法，沒有磁芯飽和的危險(xiǎn)。差模扼流圈一般在鐵粉磁芯上繞制，這種磁芯不易發(fā)生飽和，但是磁導(dǎo)率較低。有時(shí)為了避免磁芯飽和，在磁路開放的磁芯上繞制，通過減小磁芯中的磁通密度來(lái)避免飽和；這時(shí)要注意電感也是一個(gè)非常高效的磁場(chǎng)接收器件，會(huì)將周圍的干擾收集到電感上，形成新的干擾，必要時(shí)可以采取屏蔽措施。利用電感器同電容組成濾波電路來(lái)抑制共模干擾，這種電感器件串入電路中對(duì)工作狀態(tài)不加干涉，而對(duì)共模干擾起到抑制作用。它的結(jié)構(gòu)是在一只磁芯上繞制兩個(gè)相同繞組的線圈，工作時(shí)將這兩個(gè)線圈分別串接在電源上，當(dāng)工作電流接通時(shí)磁芯中的磁動(dòng)勢(shì)相互抵消，因而磁芯材料不受任何影響，不必?fù)?dān)心其磁飽和。在這次研制過程中，我們采用頻率特性好、導(dǎo)磁率高的鐵氧體材料。實(shí)際上，在電磁兼容應(yīng)用中，最常用的是共模濾波。這是因?yàn)榇罅康碾姶鸥蓴_是從空間耦合到線纜上的。這種干擾形成的干擾電壓是共模電壓。共模扼流圈能濾除低頻噪聲，一般來(lái)說(shuō)電感值越大，對(duì)低頻(1MHz以下)段傳導(dǎo)干擾抑制效果越明顯。圖1是功率因數(shù)校正電路的傳導(dǎo)干擾測(cè)試結(jié)果，對(duì)于錳鋅鐵氧體磁芯，增大電感量以后，1MHz以下的干擾水平明顯降低，尤其在0.1～0.7MHz頻段內(nèi)，干擾水平下降了20dB。比較后可看出，應(yīng)根據(jù)所要濾除的噪聲的頻率下限選取扼流圈的電感值。硬件電路結(jié)構(gòu)及工作原理圖2所示為APFC硬件電路結(jié)構(gòu)圖，電路采用內(nèi)外雙環(huán)反饋控制方案。內(nèi)環(huán)反饋的作用是將全波整流輸出直流脈動(dòng)電壓取樣輸入到MC33262，以保證通過變壓器T4的電流時(shí)刻跟蹤輸入電壓按正弦軌跡規(guī)律變化。通過T4的三角形高頻電流的峰值包絡(luò)線正比于輸入交流電壓，其平均電流則呈正弦波形，這就意味著電源輸入電流也呈正弦波。外環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)APFC變換器輸出直流電壓的監(jiān)控。直流輸出電壓通過電阻分壓器取樣輸入到MC33262，MC33262則輸出占空比可調(diào)的PWM驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制MOSFET導(dǎo)通關(guān)斷，確保輸出電壓穩(wěn)定。

輸入端交流電壓經(jīng)橋式整流后，輸出100Hz的正弦半波直流脈動(dòng)電壓，經(jīng)過電阻分壓器分壓，在R4上的取樣電壓經(jīng)小電容C4濾除高頻噪聲輸入到芯片內(nèi)部的乘法器。濾波電容EC1兩端直流電壓通過R12、R13和R14分壓輸入到芯片內(nèi)部誤差放大器的反相端，并與誤差放大器同相端精密參考電壓Uref比較，產(chǎn)生一個(gè)輸出直流電壓的誤差信號(hào)，作為一象限乘法器的另一路輸入。當(dāng)AC輸入電壓從零按正弦規(guī)律變化到峰值時(shí)，乘法器的輸出控制電流傳感比較器的門限，迫使通過MOSFET功率管Q1的峰值電流跟蹤AC輸入電壓的變化軌跡。流過MOSFET功率管Q1的電流在電阻R11上轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，輸入到MC33262芯片內(nèi)電流檢測(cè)比較器的正向輸入端。變壓器T4電流的波形呈高頻鋸齒三角波，在電流值從零增長(zhǎng)到峰值的過程中，Q1是導(dǎo)通的。乘法器的輸出則是電感峰值電流的參考電壓，只要在R11上的傳感電壓超過電流檢測(cè)比較器的門限電壓，片內(nèi)邏輯電路動(dòng)作，輸出MOSFET功率管關(guān)斷信號(hào)。變壓器T4的副邊繞組NS將感應(yīng)電壓經(jīng)D1整流EC3濾波，作為MC33262芯片啟動(dòng)后的輔助電源；NS還用做T4的高靈敏度的電流傳感器。NS將流過T4的電流檢測(cè)后，經(jīng)限流電阻R7輸入到片內(nèi)零電流檢測(cè)器，只要電感電流降至芯片所設(shè)置的“零”電平，零電流檢測(cè)器則通過置位門鎖驅(qū)動(dòng)MOSFET導(dǎo)通。由于在電感電流下降到零之前，MOSFET不會(huì)導(dǎo)通，而在其導(dǎo)通期間，升壓二極管則一直截止，所以對(duì)升壓整流二極管D3的反向恢復(fù)時(shí)間要求不是很苛刻。理論上，變壓器T4的導(dǎo)通時(shí)間是恒定的，實(shí)際上由于受整流橋后接濾波器充電的影響，在交流電壓過零處導(dǎo)通時(shí)間有所增加。T4的關(guān)斷時(shí)間在交流電壓的峰值處最大，在交流電壓的過零處則趨向于零。所以最小的開關(guān)頻率出現(xiàn)在交流電壓的峰值處，隨著交流電壓從峰值走向過零，開關(guān)頻率不斷升高。這一點(diǎn)，從下面開關(guān)頻率的計(jì)算公式也可以看出。式中，UAC為輸入交流電壓的有效值；η為變換器效率；L為T4電感量；Uo為變換器輸出直流電壓；Po為輸出功率；wt為交流輸入電壓的相位角。電路中其它具體重要參數(shù)比如電感值、輸出電容值、分壓電阻、電感電流采樣電阻、MOS管電壓電流參數(shù)的選取和計(jì)算公式在參考文獻(xiàn)[4]中已經(jīng)做了詳細(xì)討論，本文不再重復(fù)。印制板制作時(shí)的幾點(diǎn)注意事項(xiàng)升壓電感器L4選用鐵氧體材料鐵芯和李氏漆包線繞制,原副邊線圈匝數(shù)比為60/6.原邊Np繞組的電感為580μH,副邊Ns是輔助電源及零電流檢測(cè)繞組.開關(guān)電源的干擾源主要集中在功率開關(guān)器件以及與之相連的散熱器和高頻變壓器上。印刷線路板的布線設(shè)計(jì)對(duì)電源產(chǎn)品的EMC性能有很大的影響。有研究表明高頻開關(guān)電源的EMI指標(biāo)往往可以在不增加任何元器件和改變線路的條件下通過修改印刷線路板的布線設(shè)計(jì)大大得到改善。這一點(diǎn)在制作印刷電路板，調(diào)節(jié)各個(gè)元器件布局時(shí)應(yīng)該著重考慮。由于該AC/DC變換器工作在高頻狀態(tài)，在制作印制板時(shí)，還必須注意：由于負(fù)載電路或功率驅(qū)動(dòng)電路的電流較強(qiáng)、電壓較高，功率地線上干擾較大，因此功率地必須與其它弱電地分別設(shè)置，以保證整個(gè)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠的工作；PCB布線時(shí)，高頻數(shù)字信號(hào)線要用短線，主要信號(hào)線最好集中在PCB板中心，同時(shí)電源線盡可能遠(yuǎn)離高頻數(shù)字信號(hào)線或用地線隔開；應(yīng)該根據(jù)印制板的安裝方式，把易發(fā)熱的元器件如濾波電感L3、功率開關(guān)器件Q1、變壓器T4等安裝在印制板的上方部位，以利于散熱，而熱敏元件TR則應(yīng)遠(yuǎn)離發(fā)熱元件。實(shí)驗(yàn)結(jié)果實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該AC/DC變換器在較為寬廣的輸入電壓范圍下獲得高度穩(wěn)定的直流電壓輸出，該系統(tǒng)達(dá)到主要技術(shù)指標(biāo)為：AC輸入電壓范圍從95V到255V，DC輸出電壓穩(wěn)定在400V，紋波峰峰值在8V以下，輸出額定功率達(dá)150W，滿載下效率η=95%，功率因數(shù)λ≥0.99，輸入電流總諧波畸變D<6%。在AC輸入電壓UAC(min)=95V時(shí)，λ=0.998，THD=2.8%；當(dāng)UAC(max)=255V時(shí)，λ=0.973，THD=9.5%；η=96.8%。圖3、圖4、圖5分別記錄了系統(tǒng)在125V、150V、240V交流