平均電流型APFC電路設計與實現

鐘恩松 王秀清 單紹平 李書營

摘? 要：平均電流控制升壓型APFC電路是目前應用最廣泛的有源功率因素校正電路。文章從電路原理、主要參數計算、硬件電路設計三個方面，對平均電流型APFC電路進行了闡述，并對電路設計進行了實驗驗證。結果表明，該電路對功率因素的控制有顯著效果，可以滿足設計要求。

關鍵詞：平均電流;升壓型;APFC;UCC3818

中圖分類號：TM46? ? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ?文章編號：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）分無源PFC（PPFC）和有源PFC（APFC）兩種[1]。但在實際應用中，普遍采用有源PFC電路。有源PFC采用全控型開關器件對輸入電流進行控制，使之與電壓的相位相同，從而提高功率因素。有源PFC的拓撲按主電路類型分類，可分為降壓型APFC、升壓型APFC、升-降壓型APFC等[2]。以上這幾種常見的APFC拓撲中，最常用的是升壓型APFC拓撲。升壓型APFC電路按控制模式分類，可以分為電感電流連續模式（CCM）、電感電流斷續模式（DCM）、電感電流臨界連續模式（CRM）[3]。其中在CCM模式下常用的控制方法有三種： 峰值電流控制、滯環電流控制、平均電流控制，三種控制方法的特點如表1所示。

1 平均電流型APFC電路原理

綜合考慮，本文采用升壓型APFC電路拓撲，應用平均電流控制方法的CCM控制方式。平均電流控制升壓型APFC電路采用雙閉環控制：電壓外環和電流內環。其中電壓外環能夠使APFC電路的輸出電壓穩定于給定值，而電流內環可以使電流波形趨于正弦波，從而提高功率因素[4]。CCM模式下采用平均電流控制的升壓型APFC電路工作原理框圖如圖1所示。

平均電流型APFC電路原理如下：主電路輸出電壓與參考電壓比較，結果送電壓外環PI調節器。PI輸出電壓與正弦半波相乘得到電流參考值，電感電流與電流參考值比較，結果送電流內環PI調節器。PI輸出電壓與鋸齒波比較得到主電路MOSFET的開關信號。當電感電流大于電流參考值時，積分器反向積分，輸定電壓減小，脈沖寬度變窄;同理，當電感電流小于電流參考值時，積分器正向積分，輸出電壓增大，脈沖寬度變寬。在一個控制周期中，開關動作時刻取決于誤差信號的積分結果，因而稱為平均電流控制。

根據上述APFC電路原理，平均電流控制屬于恒頻控制。恒頻工作模式下的平均電流型APFC電路有如下特點：電流紋波小，功率因素校正效果好，電磁干擾小，開關電流應力小。

2 主要參數計算

PFC技術要求：（1）輸入電壓：180～265V;（2）輸入頻率：50Hz;（3）輸出電壓：直流385V;（4）輸出功率：300W;（5）輸出過壓保護：430V。

2.1 升壓電感

由于PFC采用的是升壓電路，因而當交流輸入電壓最小時，占空比取得最大值，此時最大占空比為：

當電感電流臨界連續時，電感電流峰值最大，最大峰值電流為：

電流紋波（峰峰值）？駐I=Ipk×2k，其中k為電流紋波系數，這里取k=0.1，則電流紋波為0.472A。

因而，所需電感為（開關頻率fs取100KHz）：

2.2 輸出濾波電容

該電容可以通過兩個原則（最小紋波電壓和最小保持時間）來計算，也可以采用經驗常數來計算：每瓦特需0.5-2？滋F。這里采用最小保持時間的方法來估算，最長保持時間是指斷電后的保持時間，典型的保持時間一般?。狂vt=15～20ms（這里取20ms），則所選取的電容滿足：

實際電路中選取的輸出濾波電容為一個220？滋F/450V的電解電容，可以滿足要求。

2.3 功率開關管

根據原理圖可知：開關管承受的最大電壓為385V，因此選用電壓為600V的開關管。開關管的承受的電流為：

Imax=IPK+0.5？駐I

其中正弦波峰值電流為：

因而，開關管承受的最大電流為：

Imax=2.828A

考慮裕量及MOSFET在較高溫度下電流的折扣，取2～3倍的裕量，所以選擇電流為15A的開關管。

綜上所述，實際電路中采用600V/15A的MOSFET。

2.4 二極管

根據原理，二極管的最大承受反壓為385V，二極管電流為：

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

考慮一定的裕量，實際電路中采用型號為BYC8-600（600V/8A）的快速恢復二極管。

3 硬件電路設計

主電路采用BOOST-PFC形式，控制芯片為UCC3818，采用邏輯電路實現電路保護功能。

3.1 主電路

APFC的主電路如圖3所示，主電路采用Boost變換器拓撲。額定輸入為工頻交流220V，額定輸出為直流385V。圖中JW2為工頻交流插座，FU1為保險絲，YM1為壓敏電阻，NTC1為負溫度系數熱敏電阻，其作用是抑制開機時的浪涌。C2、L2、C2、C9、C4構成EMI濾波電路，它能有效地抑制電網噪聲，提高電子設備的抗干擾能力及系統的可靠性。BR1為整流橋，L1為升壓電感，D2為輸出二極管，Q1為MOSFET，D1為普通二極管，其作用是為輸出濾波電容預充電。

3.2 輔助電源電路

輔助電源電路的作用是為主控芯片UCC3818提供工作電源。根據原理圖，該負載電源電路是一種基于TNY268G芯片的反激式電源。其技術參數為：TNY268G的工作開關頻率為132KHz，其內部封裝的MOSFET耐壓值為700V，最大占空比為0.65。圖中，整流二極管D5、D6、D8、D9構成全橋整流電路，為輔助電源高頻變壓器提供原邊輸入電壓。由R41、C28、D7組成的支路與TNY268G的5管腳相連，構成保護電路。該保護電路可以有效地抑制尖峰電壓對MOSFET的干擾（因為開關管關斷時，將在變壓器一次側感應出尖峰電壓）。R42和R43串聯后與TNY268G的4管腳相連，構成欠壓檢測電路。其作用是：當輸入電壓處于欠壓狀態時，可以封鎖TNY268G芯片，避免MOSFET燒壞。WD2是15V穩壓管，與PC817光耦隔離器相連，構成輸出反饋電路。

3.3 控制電路

APFC電路UCC3818芯片來控制產生PWM波形，經過最大占空比限制電路后推挽輸出到MOSFET門極來驅動MOS管的導通與關斷。PFC控制電路的工作過程如下：直流輸出電壓經電阻分壓后送UCC3818的11管腳，與電壓參考值比較，結果送由R33和C29構成的電壓外環PI調節器，PI輸出電壓與正弦半波相乘得到電流參考值，升壓電感電流與電流參考值比較，結果送由R28和C18構成的電流內環PI調節器。PI輸出電壓與UCC3818內部的鋸齒波比較得到PWM波形，并由UCC3818的16管腳輸出。由UCC3818控制產生的PWM波從16管腳輸出，經過最大占空比限制電路后，才能用于驅動MOSFET。

4 實驗驗證

根據平均電流型PFC電路的設計，繞制電磁器件和焊制PCB板，以驗證理論分析。通過對PFC控制芯片未投入工作的情況與PFC控制芯片正常工作的情況進行了對比實驗，驗證采用平均電流控制的PFC電路能夠極大提高網側功率因素的特性。

4.1 PFC主控芯片輸出波形與MOSFET驅動波形

對比圖5和圖6，MOSFET的驅動波形的占空比明顯小于主控芯片輸出PWM波形的占空比?？梢?，最大占空比限制電路能夠在一定程度上限制MOSFET驅動波形的占空比，達到了預期目的。在實際的調試過程中，我們可以根據需要，通過調節充放電電容C13的電容值的大小或改變LM311D的2管腳比較器參考電壓的大小，來增強或減弱最大占空比限制電路的作用效果。

4.2 PFC交流輸入側電壓與電流波形

結合圖7和圖8，PFC未投入工作時的交流側輸入電流嚴重畸形，呈電流脈沖形狀，功率因素很低。因為二極管整流電路不具有對輸入電流的可控性，因而形成電源電壓峰值附近的電流脈沖。結合圖9和圖10，PFC正常工作時的交流側輸入電流趨于正弦波，與電壓的相位基本一致，功率因素大大提高。可見，采用平均電流控制的PFC電路能夠有效控制交流側輸入電流波形，使之趨于正弦波，顯著提高功率因素。

5 結束語

平均電流型的PFC電路采用雙閉環控制，其中電壓外環使主電路輸出電壓實現穩壓，穩定于電壓參考值，電流內環讓電感電流趨于正弦半波，使得交流側輸入電壓和電流相位基本一致，從而提高功率因素。經過對PFC電路的原理分析、主要參數計算、硬件電路實現和實驗驗證，結果表明：采用平均電流控制的升壓型APFC電路能夠極大地提高輸入側功率因素。

參考文獻：

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