平均电流型APFC电路设计与实现

钟恩松 王秀清 单绍平 李书营

摘  要：平均电流控制升压型APFC电路是目前应用最广泛的有源功率因素校正电路。文章从电路原理、主要参数计算、硬件电路设计三个方面，对平均电流型APFC电路进行了阐述，并对电路设计进行了实验验证。结果表明，该电路对功率因素的控制有显著效果，可以满足设计要求。

关键词：平均电流;升压型;APFC;UCC3818

中图分类号：TM46         文献标志码：A       文章编号：2095-2945（2019）27-0086-03

Abstract： Average current controlled boost APFC circuit is the most widely used active power factor correction circuit. In this paper， the average current mode APFC circuit is described from three aspects： circuit principle， main parameter calculation and hardware circuit design， and the circuit design is verified by experiments. The results show that the circuit has a remarkable effect on the control of power factors and can meet the design requirements.

Keywords： average current; boost type; APFC; UCC3818

引言

功率因素校正（PFC）分无源PFC（PPFC）和有源PFC（APFC）两种[1]。但在实际应用中，普遍采用有源PFC电路。有源PFC采用全控型开关器件对输入电流进行控制，使之与电压的相位相同，从而提高功率因素。有源PFC的拓扑按主电路类型分类，可分为降压型APFC、升压型APFC、升-降压型APFC等[2]。以上这几种常见的APFC拓扑中，最常用的是升压型APFC拓扑。升压型APFC电路按控制模式分类，可以分为电感电流连续模式（CCM）、电感电流断续模式（DCM）、电感电流临界连续模式（CRM）[3]。其中在CCM模式下常用的控制方法有三种： 峰值电流控制、滞环电流控制、平均电流控制，三种控制方法的特点如表1所示。

1 平均电流型APFC电路原理

综合考虑，本文采用升压型APFC电路拓扑，应用平均电流控制方法的CCM控制方式。平均电流控制升压型APFC电路采用双闭环控制：电压外环和电流内环。其中电压外环能够使APFC电路的输出电压稳定于给定值，而电流内环可以使电流波形趋于正弦波，从而提高功率因素[4]。CCM模式下采用平均电流控制的升压型APFC電路工作原理框图如图1所示。

平均电流型APFC电路原理如下：主电路输出电压与参考电压比较，结果送电压外环PI调节器。PI输出电压与正弦半波相乘得到电流参考值，电感电流与电流参考值比较，结果送电流内环PI调节器。PI输出电压与锯齿波比较得到主电路MOSFET的开关信号。当电感电流大于电流参考值时，积分器反向积分，输定电压减小，脉冲宽度变窄;同理，当电感电流小于电流参考值时，积分器正向积分，输出电压增大，脉冲宽度变宽。在一个控制周期中，开关动作时刻取决于误差信号的积分结果，因而称为平均电流控制。

根据上述APFC电路原理，平均电流控制属于恒频控制。恒频工作模式下的平均电流型APFC电路有如下特点：电流纹波小，功率因素校正效果好，电磁干扰小，开关电流应力小。

2 主要参数计算

PFC技术要求：（1）输入电压：180～265V;（2）输入频率：50Hz;（3）输出电压：直流385V;（4）输出功率：300W;（5）输出过压保护：430V。

2.1 升压电感

由于PFC采用的是升压电路，因而当交流输入电压最小时，占空比取得最大值，此时最大占空比为：

当电感电流临界连续时，电感电流峰值最大，最大峰值电流为：

电流纹波（峰峰值）？驻I=Ipk×2k，其中k为电流纹波系数，这里取k=0.1，则电流纹波为0.472A。

因而，所需电感为（开关频率fs取100KHz）：

2.2 输出滤波电容

该电容可以通过两个原则（最小纹波电压和最小保持时间）来计算，也可以采用经验常数来计算：每瓦特需0.5-2？滋F。这里采用最小保持时间的方法来估算，最长保持时间是指断电后的保持时间，典型的保持时间一般取？驻t=15～20ms（这里取20ms），则所选取的电容满足：

实际电路中选取的输出滤波电容为一个220？滋F/450V的电解电容，可以满足要求。

2.3 功率开关管

根据原理图可知：开关管承受的最大电压为385V，因此选用电压为600V的开关管。开关管的承受的电流为：

Imax=IPK+0.5？驻I

其中正弦波峰值电流为：

因而，开关管承受的最大电流为：

Imax=2.828A

考虑裕量及MOSFET在较高温度下电流的折扣，取2～3倍的裕量，所以选择电流为15A的开关管。

综上所述，实际电路中采用600V/15A的MOSFET。

2.4 二极管

根据原理，二极管的最大承受反压为385V，二极管电流为：

Id=Pout/Uo=300/385=0.779A

考虑一定的裕量，实际电路中采用型号为BYC8-600（600V/8A）的快速恢复二极管。

3 硬件电路设计

主电路采用BOOST-PFC形式，控制芯片为UCC3818，采用逻辑电路实现电路保护功能。

3.1 主电路

APFC的主电路如图3所示，主电路采用Boost变换器拓扑。额定输入为工频交流220V，额定输出为直流385V。图中JW2为工频交流插座，FU1为保险丝，YM1为压敏电阻，NTC1为负温度系数热敏电阻，其作用是抑制开机时的浪涌。C2、L2、C2、C9、C4构成EMI滤波电路，它能有效地抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性。BR1为整流桥，L1为升压电感，D2为输出二极管，Q1为MOSFET，D1为普通二极管，其作用是为输出滤波电容预充电。

3.2 辅助电源电路

辅助电源电路的作用是为主控芯片UCC3818提供工作电源。根据原理图，该负载电源电路是一种基于TNY268G芯片的反激式电源。其技术参数为：TNY268G的工作开关频率为132KHz，其内部封装的MOSFET耐压值为700V，最大占空比为0.65。图中，整流二极管D5、D6、D8、D9构成全桥整流电路，为辅助电源高频变压器提供原边输入电压。由R41、C28、D7组成的支路与TNY268G的5管脚相连，构成保护电路。该保护电路可以有效地抑制尖峰电压对MOSFET的干扰（因为开关管关断时，将在变压器一次侧感应出尖峰电压）。R42和R43串联后与TNY268G的4管脚相连，构成欠压检测电路。其作用是：当输入电压处于欠压状态时，可以封锁TNY268G芯片，避免MOSFET烧坏。WD2是15V稳压管，与PC817光耦隔离器相连，构成输出反馈电路。

3.3 控制电路

APFC电路UCC3818芯片来控制产生PWM波形，经过最大占空比限制电路后推挽输出到MOSFET门极来驱动MOS管的导通与关断。PFC控制电路的工作过程如下：直流输出电压经电阻分压后送UCC3818的11管脚，与电压参考值比较，结果送由R33和C29构成的电压外环PI调节器，PI输出电压与正弦半波相乘得到电流参考值，升压电感电流与电流参考值比较，结果送由R28和C18构成的电流内环PI调节器。PI输出电压与UCC3818内部的锯齿波比较得到PWM波形，并由UCC3818的16管脚输出。由UCC3818控制产生的PWM波从16管脚输出，经过最大占空比限制电路后，才能用于驱动MOSFET。

4 实验验证

根据平均电流型PFC电路的設计，绕制电磁器件和焊制PCB板，以验证理论分析。通过对PFC控制芯片未投入工作的情况与PFC控制芯片正常工作的情况进行了对比实验，验证采用平均电流控制的PFC电路能够极大提高网侧功率因素的特性。

4.1 PFC主控芯片输出波形与MOSFET驱动波形

对比图5和图6，MOSFET的驱动波形的占空比明显小于主控芯片输出PWM波形的占空比。可见，最大占空比限制电路能够在一定程度上限制MOSFET驱动波形的占空比，达到了预期目的。在实际的调试过程中，我们可以根据需要，通过调节充放电电容C13的电容值的大小或改变LM311D的2管脚比较器参考电压的大小，来增强或减弱最大占空比限制电路的作用效果。

4.2 PFC交流输入侧电压与电流波形

结合图7和图8，PFC未投入工作时的交流侧输入电流严重畸形，呈电流脉冲形状，功率因素很低。因为二极管整流电路不具有对输入电流的可控性，因而形成电源电压峰值附近的电流脉冲。结合图9和图10，PFC正常工作时的交流侧输入电流趋于正弦波，与电压的相位基本一致，功率因素大大提高。可见，采用平均电流控制的PFC电路能够有效控制交流侧输入电流波形，使之趋于正弦波，显著提高功率因素。

5 结束语

平均电流型的PFC电路采用双闭环控制，其中电压外环使主电路输出电压实现稳压，稳定于电压参考值，电流内环让电感电流趋于正弦半波，使得交流侧输入电压和电流相位基本一致，从而提高功率因素。经过对PFC电路的原理分析、主要参数计算、硬件电路实现和实验验证，结果表明：采用平均电流控制的升压型APFC电路能够极大地提高输入侧功率因素。

参考文献：

[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].第5版.北京：机械工业出版社，2010：224-225.

[2]王建飞.基于UCC3818大功率APFC电源设计[J].变频器世界，2013，8：51-52.

[3]谭伟.基于DSP控制的BOOST PFC结构和算法实现[D].湘潭大学，2017：5-7.

[4]权保同.基于改进型平均电流控制的单相无桥PFC的研究[J].电气技术，2018，10：23-27.

[5]刘欣睿，等.交错并联CCM Boost PFC变换器研究[J].电子技术应用，2018，08：143-146.