一种临界导电模式的功率因数校正电路

谢 正

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

开关电源因效率高、成本低，而在各个领域获得了广泛应用。但是采用传统的非控整流开关电源，输入端有整流元件和滤波电容，输入阻抗呈容性，网侧输入电压和输入电流间存在较大相位差，加上输入电流严重非正弦，故功率因数极低，谐波分量很高，给电力系统带来了严重的谐波污染。采用有源功率校正技术后电网侧功率因数可提高到0.95～0.99，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率［1］。

有源功率因数校正(Active Power Factor Correction，APFC)是在整流器和负载之间接入开关变换器，应用电流反馈技术，使输入电流波形跟踪正弦电压波形，迫使输入电流接近正弦波。按照电路中的电感电流工作状态，APFC电路可分为3种类型:连续导电模式、断续导电模式和临界导电模式。其中，临界导电模式介于连续和断续之间，具有功率因数高、功率开关管零电流导通、功率二极管损耗小、控制电路简单等优点［2］。临界导电模式功率因数校正技术正逐步应用于中、小功率设备的功率因数校正环节中。

1 电路结构与基本原理

理论上任何一种开关变换器的拓扑都可以用来实现接近于1的高功率因数。但在实际应用中最普遍使用的是Boost变换器，它有以下3个优点:(1)电路器件少，经济性强;(2)电感位于整流桥与开关管之间，输入电压的di/dt很小，输入端的噪音低;(3)功率开关管源端对地，易于驱动。

Boost有源功率因数的基本电路结构，如图1所示。其主电路由单相桥式整流器和DC-DC Boost变换器组成;功率开关由控制电路控制，工作在高频通断状态。其控制电路包括电压反馈和电流反馈信号，具体工作过程如下:主回路的输出电压Uo和基准电压Uref比较后，输入给电压误差放大器(VA);整流电压检测值Uk和输出电压信号Uerr共同加到乘法器的输入端，乘法器的输出作为电流反馈控制的基准信号;电流误差放大器(CA)的输出与电感零电流检测器的输出作为开关管Q1驱动器的输入信号，控制开关管的开通和关断，保证电感电流的峰值跟踪整流电压，从而使输入电流(电感电流的平均值)与输入电压的波形基本一致，提高输入端功率因数，降低电流畸变程度［3］。由于电感零电流检测器的引入，开关管只能在电感电流下降为零时开通，Boost电路工作在介于断续导电模式和连续导电模式之间的临界导通模式［4］。这样，一方面降低了D2关断时反向恢复电流对开关管的冲击作用;另一方面将输入电流限定为电感电流峰值的1/2。

图1 Boost有源功率因数校正电路结构

2 主电路参数设计

设计时需考虑电网电压的实际波动，一般要求用宽输入范围(170 V～260 V)的功率因数校正电路。

2.1 升压电感器的设计

在图1中，L的初级线圈Lp是APFC预调整器的升压电感，即Boost电路的主电感。L的次级线圈Ls的作用:一是作为零电流检测传感器;二是为功率因数校正芯片提供工作所需的直流电源。因此，升压电感器的设计是APFC电路中的关键。

首先，确定Lp的值。对于工作在临界导通模式的APFC电路来说，Lp电感量的确定原则是保证功率开关管的最低开关频率大于芯片所能输出的最小驱动频率。根据前面的分析，在交流电源的每一个半波内，功率开关管的开关周期，可用式(1)表示

从而可得到功率开关管的开关频率

式中:Uinrms为输入电网电压有效值;Lp为升压电感值;Po为输出功率;θ为0～π。

由式(2)可知，当θ=π/2时，fsw(θ)的值最小。因此，最小开关频率fswmin(θ)可以表示为

令

则电网电压Uinrms和负载功率Po在一定范围内波动时，A的图形如图2所示。

图2 A与电网电压Uin rms和负载功率Po的关系

从图2中可以看出，电网电压Uinrms和负载功率Po都为最大时，A的值最小，因此

式中:Pomax为最大输出功率;Uinrmsmax为最大电网电压有效值。

一般取fswmin(θ)=20 kHz，计算得出L=207，实际设计取 L=210 μH。

为了实现零电流检测功能，初级线圈Lp和次级线圈Ls的匝数比m应满足关系式(5)

式中:M为MC33262芯片资料推荐的保证零电压检测电路正常工作的正向边缘电压阈值，其推荐值为1.6。

次级线圈Ls除了实现零电流功能外，还要为芯片MC33262提供电源，根据经验取该线圈的匝数为原边绕组的1/4。

2.2 乘法器电阻的选择

电网电压经全波整流，通过 R1和 R2分压，被MC33262的③脚检测，③脚输入电压Vk的最大值被限制在3 V，因此

取 R1=1.36 MΩ，则 R2≈10 kΩ。

2.3 电感电流取样电阻的选择

乘法器的输出Umo决定Ucs(MC33262的④脚)的输入门限电压，④脚的输入电压不能超过1.4 V，一般取Ucs=1 V。考虑到电网电压和负载的波动情况，取样电阻R3的值可以通过式(7)计算

一般 R3取0.2 Ω。

2.4 误差放大器外接元件的选择

误差放大器偏置电阻R4、R5和输出电压Ubus存在如下关系

式中:Uref为芯片内部基准电压(2.5 V)。取R4=1 MΩ，则 R5≈6.2 kΩ。

误差放大器输出对地电容C1用作抑制APFC升压变换器输出电压纹波。设跨导型误差放大器导抗gm=100 μmhos，带宽 BW=20 Hz ～30 Hz，则 C1可利用下式求出

实际应用中 C1取 0.68 μF。

2.5 输出电容的设计

输出电容的选择取决于额定输出电压、最大允许过电压、输出功率和输出电压纹波。基本电容值为

式中:ωo为纹波电压的角频率;Io为输出电流;ΔUo为纹波电压值，一般为输出电压的1% ～5%。

输出电容的耐压值要超过控制电路过压保护的电压值，高频等效串联电阻要小，温度范围要宽，而实际选取电容量为470 μF，耐压值为450 V。

2.6 控制芯片的选择

控制电路的参数设计对于满足宽输入输出范围的功率因数校正的设计要求极为重要。设计的目标不仅在于确保带宽足够窄以达到高功率因数，而且要保证一定的相角才可以使系统在大范围内稳定。

目前，市场上有很多基于临界导电模式设计的APFC集成芯片。用MC33262作为控制器的APFC升压式功率因数校正电路如图3所示。控制芯片采用恒导通时间控制技术的乘法器方式，其误差放大器是跨导型的［5］。

图3 用MC33262设计的APFC升压式变换器

3 电路试验结果

图4所示为输入电压分别为170 V和260 V时的输入电压电流波形，从图中可见APFC电路使输入电流能很好的跟踪输入电压，有很好的平滑度，实测功率因数达到 0.99。

图4 输入电压不同时输入电压电流波形

图5所示波形是APFC电路输出直流母线电压的上电响应和电压纹波。从图中可以看出，输出直流母线电压纹波的峰值为12 V左右。图6给出了APFC主电感上的工作电流波形，所用电流采样电阻为0.2 Ω，从图中可以看出，此时电路工作在临界电流状态。

图5 直流母线电压的上电响应和纹波

图6 APFC主电感电流试验波形

4 结束语

本文从分析临界导电模式Boost功率因数校正电路的本质出发，利用经典控制理论，综合分析了各种常用的临界导电模式Boost功率因数校正电路集成芯片，为合理设计电路参数提供了依据，总结了实用的电路参数设计方法，并用实验证实了设计方法的实用性。

［1］刘 健，刘树林，王兆安.单级功率因数校正DCM组合变换器的稳定性［J］.电子学报，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］郦 强，邓 焰，何湘宁.不同控制策略的小功率Boost-APFC 性能研究［J］.电力电子技术，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］倪志红.1 100 W开关电源前级功率因数校正技术的研究［J］.现代雷达，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.临界导电模式下BOOST变换器功率因数校正电路设计［J］.机电工程，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，吴志红，陶生桂.基于MC33262的高功率因数AC/DC变换器研制［J］.同济大学学报:自然科学版，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.