基于临界电流模式的功率因数校正的设计与应用

陈小琴，冯晓培，李秋如，郭思远

(广东工业大学 信息工程学院，广东 广州 510006)



基于临界电流模式的功率因数校正的设计与应用

陈小琴，冯晓培，李秋如，郭思远

(广东工业大学 信息工程学院，广东 广州 510006)

摘要:为满足高功率因数的要求，介绍了一种基于临界电流模式(TM)的高效优化的频率补偿电路。文中分析了有源功率因数校正(APFC)的工作原理，推导了频率补偿电路的设计和参数计算方法，并以L6562D为控制芯片，设计了一台250 W功率因数校正电路的样机，对设计电路进行实验验证。实验结果表明，在优化频率补偿下，功率因数可达0.998，效率可达96.7%，提高了功率因数和效率。

关键词：有源功率因数校正；L6562D；频率补偿

0　引　言

随着电力电子设备功率因数要求的不断提高，PFC电路得到了较大发展。目前采用升压式作为主电路的功率因数校正(PFC)电路的控制方法有变频脉宽控制和固定频率脉宽控制。对不同功率等级而言，临界导通模式(TM)、断续电流模式(DCM)以及固定频率平均电流模式(CCM)分别在小功率、中功率和大功率场合得到了充分应用[1-2]。TM控制的稳定性高、对负载扰动的响应很快。电感电流工作在CCM和DCM的临界状态。

针对文献[3]，本文以ST公司的L6562D作为主电路的控制芯片，设计了一种基于Boost拓扑工作于临界电流模式的APFC电路，高效优化了APFC电路关键参数，有效提高了APFC的功率因数和效率，降低了输入电流谐波。文中针对反馈补偿，给出了频率补偿计算过程。

1　临界电流模式(TM)的原理

1.1　有源功率因数校正技术(APFC)

有源功率因数校正是在桥式二极管整流器与输出直流负载之间插入一个由电力电子开关器件、电感、电容等构成的子电路，通过对电力电子开关器件的PWM控制，使整流电路输入电流在一个工频周期中跟踪电网输入电压正弦波的变化，以实现功率因数校正[4]。如图1所示。

图1 有源功率因数校正电路输入电压、电流波形

1.2　临界电流模式(TM)的APFC原理

在临界电流模式下，电路工作在CCM和DCM的边界。TM单相Boost型PFC变换器如图2所示，输入交流电压Us经过二极管全桥整流后获得直流电压Ud，经过电阻分压后得到一个馒头形波形信号Ud1，用于电感电流波形控制。将参考电压Uref和Boost型变换器的输出电压UO的反馈信号分别送入电压调节器(VA)进行误差计算，VA输出的ISM反映了PFC变换器需要向负载输出功率的大小。由于电压外环的带宽设计得较低，因此在一个工频周期里，VA输出可视为恒定。通过乘法器MP,将VA输出的近似直流信号ISM与馒头形波形，跟踪电网瞬时电压波形变化。

电流控制环采用峰值电流控制，电流传感器测得的开关管电流一旦达到电流参考信号iref，比较器反转，复位RS锁存器，关断开关管。于是Boost型变换器进入电感电流通过Boost型二极管向负载传递能量的阶段，随着时间的推移，电感中的磁能逐步减小，最后电感电流减小到零。一旦电感电流过零以后，过零检测电路就发生一个脉冲信号，置位RS触发器，于是再次开通开关管，电路进入一个新的开关周期。通过在Boost型电感上增加一个辅助绕组，用于电感电流过零检测(ZCD)。

Boost变换器工作在TM下，电感电流呈三角波波形，电感电流平均值的波形近似为正弦波，并且与输入电压同相位，达到了功率因数校正的目的，如图3。

图2 临界电流模式Boost型PFC变换器

图3 TM模式下各电流波形

2　APFC电路优化参数的计算

本文中APFC样机的输入电压范围为85 VAC～265 VAC,输出电压Uout=400 V，输出功率Pout=250 W，采用基于L6562D的Boost APFC电路。在本设计中，电感的设计至关重要，如果其设计不合理，会使功率因数降低或电路无法正常运行。所以，本文主要分析电感的计算，以及控制电路外围参数的设计。

2.1　主电路参数计算

由于电路工作于变频控制方式，频率变化范围大，为避免电感磁饱和，计算电感时要按最低开关频率考虑。开关管的开通时间是固定的，在sinθ=1时，开关频率最小；sinθ=0时，开关频率最大，toff为零。设电感量为L，开关管的开通时间为Ton，关断时间为Toff，输入功率为Pin，电感的峰值电流为ILpk，取最小开关频率为fswmin=50 kHz。因此：输入功率为：

(1)

电感的峰值电流为：

(2)

电感电流的有效值为：

(3)

所以,电感量为：

(4)

通过以上计算本实验所取的电感量为0.15 mH。

因此，导通时间为：

(5)

式中，UAC取220 V。

最大关断时间为

(6)

最小开关频率：

(7)

与之前假设的最小开关频率相吻合，所以选取的电感量0.15 mH是合理的。

电感量L确定后，依据AP法则来选取磁芯。AP法的计算如式(8)。

(8)

式中：L是电感量，ILrms是电感电流的有效值，ILpk是电感的峰值电流，Ku是填充系数，一般取0.3，Jc是电流密度，取5 A/mm2，最大工作磁通密度取0.3 T。通过式(8)，最终选择EE30的磁芯，Ae=107.36 mm2。

根据所选择的磁芯计算原边的匝数，副边匝数一般按照8：1选取。

(9)

式中：δ是气隙，取2.5 mm；L是电感量；μ0是空气相对磁导率，取4π×10-7H/m；Ae是磁芯的有效截面积；Np取54。将Np代入式(10)，可得到最大工作磁通密度Bm。

(10)

将Np、L、ILpk代入上式，可得Bm=0.23 T，小于0.3 T，所计算的匝数符合要求。副边匝数为：

(11)

取Ns=7。

2.2　控制电路中的频率补偿计算

L6562D的频率补偿发生在引脚1、2之间，其补偿网络可以有效地提高电压控制环路的稳定性，以及确保更高的功率因数和低的THD。L6562D没有前馈控制芯片。采用Venable's 的K系数法[4]来计算，已知工作频率fL=50 kHz，电流采样电阻RS=0.167 Ω，乘法器的增益Km=0.6，乘法器的输入分频器增益Kp=0.01，最小输入电压是Uacmin=85 V，最大输入电压是Uacmax=265 V，输出电容CO=100 μF,三次谐波失真度D3=1.224×10-6。

如图4，参数的计算分以下7个步骤[5]。

图4 Π型补偿网络结构图

(1)在PFC的输出电压中存在一个频率是2fL的二次纹波，其纹波电压是：

(12)

L6562D的有效控制电压是：

(13)

式中，Km为乘法器的增益；Kp为乘法器输入分压比，均可根据L6562D的芯片资料手册获得。

(2)计算误差比较器EA的增益

(14)

(3)计算PFC小信号模型的增益

(15)

(4)确定α、K系数

(16)

求解以上方程组可得，α=2.403，K=3.138。

(5)计算系统控制环路增益

(17)

(6)计算零点频率和极点频率

(7)根据图4计算补偿电阻电容的参数

(20)

实际中CFP取220 nF。

根据以上的7个步骤可以计算出电压控制环路中频率补偿的参数。

3　实验结果分析

根据以上分析制得一台250 W的实验样机，样机的基本设计条件如下：输入电压范围为85～265 V，输出电压400 V，输出功率250 W，最小工作频率50 kHz。实验数据由泰克DPO3034数字示波器采集，并由origin9软件处理得到测试波形。图5给出了MOS管漏极与源极之间和驱动的电压波形。通过波形可以看出，MOS管可以实现零电压开通。

图5 MOS管的驱动和漏源极波形

如图6所示Uin有效值230 V，输出功率Po=250 W时Iin的波形 。图6(a)为无频率补偿电路的情况，图6(b)为有频率补偿电路的情况，可见输入电流的波形得到了有效抑制。

图6 输入电流波形

图7为样机在220 V输入电压下的输入电流波形和输入电压波形，PF值为0.998，此时，输入电压和输入电流相位基本一致。表1给出了不同输入电压下样机的PF值和效率，从表中数据可看出，样机效率可达96.68%。

图7 220V下输入电流和电压的波形

表1　不同输入电压下电源的PF和效率

4　结　论

本文介绍了基于L6562D功率因数校正电路的特点和工作原理，以及电路中主要参数和频率补偿的计算过程，并制得样机，测试了其工作波形和不同输入电压下PF值和效率。各项性能指标均比较理想。

参考文献：

[1]贲洪奇.开关电源中的有源功率因素校正技术[M].北京：机械工业出版社，2010.

[2]Kim J W,A M Choi.Variable On-time Cont-Control of the Critical Conduction Mode Boo-st Power Factor Correction Converter to Impr-ove Zero-crossing Distortion [C].International Conference on Power Electronics and Drices Systems, 2005:997-1101.

[3]陶以彬，杨波.基于L6562高功率因数boost电路的设计[J].电子元器件应用，2009，11(10):10-13.

[4]徐德鸿,李睿,刘昌金.整流器技术：有源功率因素校正技术[M].北京：机械工业出版社,2013.

[5]Dixon L.Optimizing the Design of a High Power Factor Switching Preregulator[Z]. SLUP0-93, SEM700.

设计应用

Design and Application of APFC Based on TM Control

CHEN Xiao-qin, FENG Xiao-pei, LI Qiu-ru, GUO Si-yuan

(School of Information Engineering, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510006, China)

Abstract:A frequency compensating circuit with efficient optimization based on the critical current mode(TM) is introduced to meet requirements of high power factor. The working principle of the active power factor correction (APFC) is analyzed in this article, and the parameter computational method of the frequency compensating circuit is derived. Taking L6562D as the control chip, a 250 W power factor correction circuit prototype is designed to verify the validity of the design procedure. The experimental results show that the power factor can be 0.998, and the efficiency can reach 96.7% with the optimized frequency compensation. And the power factor and the efficiency are improved.

Key words:active power factor correction; L6562D; frequency compensation

中图分类号：TM464

文献标识码：A

文章编号：1009-3664(2015)02-0050-03