臨界模式APFC電路設計與仿真

鐘鑫

摘要：為抑制電網的諧波污染，有源功率因數校正（PFC）技術的使用是必要的，分析了臨界導通模式的原理和優勢，對三種主流控制方法進行了簡要對比，最終以L6562為核心元件設計了一種390V/250W的新型APFC控制電路。借助Saber軟件搭建仿真電路進行驗證，結果表明該電路的功率因數能夠接近于1，能有效抑制電流諧波，提高電源利用效率。

關鍵詞：臨界導電模式;PFC;諧波污染;功率因數;L6552

中圖分類號：TP62+2? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）02-0214-03

1 引言

采用橋式整流和大容量濾波電路的開關電源（SMPS）、電子鎮流器和交流變頻調速器，因為整流橋后使用了大容量的電容進行濾波，所以整流橋中的二極管只有在交流輸入電壓的瞬時幅值大于橋后電容上的電壓時，才能從截止狀態改變為導通狀態[1]。輸入電壓波形畸變微小，但是在極短的導通時間內，交流輸入電流會出現尖峰脈沖，畸變相當嚴重，電流波形基波含量很低，而其次諧波含量非常高。

抑制電網諧波污染的方案主要分為兩種：第一種是從電網側解決，配備濾波器包含有源濾波器（APF）與無源濾波器（PPF）;第二種是從裝置側解決，采用功率因數校正電路（PFC），主要分為有源功率因數校正技術（APFC）和無源功率因數校正技術（PPFC），APFC電路使用脈沖寬度調制技術（SPWM），輸入電流能夠實時跟蹤輸入電壓，高效地防止電流發生畸變，是現在常用的諧波抑制方案[2]。本文選用工作在臨界模式的功率因數控制器L6562設計了一種具有高功率因數的升壓PFC電路。

2 CRM-PFC電路分析

2.1 CRM-PFC電路基本工作原理

在圖1所示的CRM-PFC簡化電路中，輸入電壓經過檢測后取樣到乘法器;直流電壓輸出后經電阻分壓取樣，輸入到誤差放大器反相端，與同相基準電壓對比，生成一個電壓誤差信號，再反饋到乘法器的另一端。乘法器的輸出信號與電流感測電阻Rs上獲取的電壓信號共同輸入電流比較檢查器，產生一個正弦信號，作為PWM控制的參考信號。通過由乘法器的輸出對電流檢查比較器門限的控制，可迫使電感電流峰值緊密跟隨交流輸入電壓變化的瞬時軌跡。

功率開關管VT1經驅動信號開通，升壓二極管VD1則處于截止狀態，這個時候流過電感的電流開始線性上升。只要電流感測電阻Rs上的電壓信號大于電流比較檢查器的參考電平，檢查器則改變輸出狀態，輸出信號關閉VT1，升壓電感中儲存的能量開始輸出，二極管處于正向導通狀態，在這期間，電感器中的電流從最大值逐漸線性下降。電感電流一放完，用作高靈敏度傳感器的副邊繞組則會檢測到過零信號，門級驅動器輸出信號讓VT1再次開通，進入下一個開關周期，又循環重復之前的充放電過程。兩個開關周期內，會出現電感電流為零的點，但不是電感電流為零的死區。SPWM邏輯控制電路同時受到電流比較檢查器和零電流檢測器的控制，能夠保證在同一瞬間只存在一種狀態的參考信號。

2.2 CRM-PFC控制技術特點

臨界導電模式PFC控制技術有如下優勢：

1） 電路結構不復雜，方案成熟，在中小功率的熒光燈及低功率金鹵燈和高壓鈉燈電子鎮流器中得到廣泛應用;

2） 在每一個開關周期之內，電感電流呈三角波。從兩個開關周期來看，期間電感電流會降至零點，但是由于間隙時間極短，所以并不是死區。電感電流峰值的最大值不超過在平均輸入電流最大值的2倍，因此，功率元器件可選擇大量適用于小電流容量的器件;

3） 在功率因數校正升壓變換器的輸出端，可以輸出經過調節的穩定直流電壓，紋波波動小、紋波為正弦波形狀，頻率為輸入交流電的兩倍;

4） 開關管的開啟和關斷時間不是恒定不變的，它與交流輸入電壓的波形軌跡密切相關。AC輸入電壓從零點上升到最大值的階段，開關頻率是緩慢降低的，在交流電壓過零附近，開關頻率最高，這會使EMI濾波器的應用更加困難;

5） 滿足寬范圍交流電壓輸入要求，諧波含量完全符合歐洲IEC-1000-3-2標準。臨界導通模式功率因數校正技術采用零電流開關峰值電流控制技術，在中小功率場合，尤其是在40～150W的電子鎮流器和開關電源中應用及其廣泛。在CRM工作的功率因數控制集成芯片種類也多，價格也相對較低。

斷續導電模式（DCM）控制技術工作開關頻率不變，輸入峰值電流能夠很好地跟蹤輸入電壓，但是輸出功率較小，對元器件要求高，電流有一定的失真。連續導電模式（CCM）控制模式可應用在大功率場合，但尖峰電流會給二極管帶來極大損耗，影響整個電路工作效率。電路工作在CRM狀態下，則各方面表現最為理想，對器件要求也沒那么苛刻，也可以避免二極管反向恢復問題，并且輸入平均電流和輸入電壓呈線性關系。因此，采用CRM-PFC控制技術在300W以下中小功率的應用中優勢明顯，并且市場份額大，所以對臨界導電模式下的功率因數校正技術開展研究具有非凡的意義。

3 L6562芯片介紹

ST公司研發的L6562芯片是價格較低低的PFC控制器，是一種電流模式并工作在臨界導通狀態的低THD控制集成電路。采用8引腳DIP和8引腳SO封裝，常應用于電視、個人電腦，和監視器的開關電源、高端AC/DC適配器、服務器等。

3.1 L6562引腳功能描述

L6562引腳功能如下所示。

INV：電壓誤差放大器的反相輸入端。接入分壓電阻器來獲取輸出電壓信息并與此引腳相連接。

COMP：誤差放大器的輸出端。這個引腳和INV引腳形成了補償網絡，使輸出電壓閉環網絡的控制更加穩定，并且可以確保高功率因數和極低的總諧波失真（THD）。

MULT：乘法器的輸入端。采樣電阻獲取整流后的輸入電壓波形，反饋給此引腳，給電流環提供正弦參考信號。

CS：PWM比較器輸入端。流過電感的電流會通過一個電阻感測到，輸入到此引腳，再與乘法器生成的內部正弦信號比較，判斷MOS管是否關斷。

ZCD：臨界模式升壓電感退磁感應輸入端。該引腳檢測電感電流的下降沿，判斷是否觸發MOS管開啟。

GND：接地端，芯片所有信號和門級驅動都以此地為參考。

GD：門級驅動信號輸出端。一般在該引腳與開關管柵極間連接一個阻值很小的電阻，可避免開關管震蕩。

VCC：為芯片信號部分和門級驅動提供電壓。最大供電電壓為22V，可適應較寬范圍的電源電壓。

4主電路參數計算

主電路參數按照以下指標進行設計：變換器最大輸出功率Po=250W;AC輸入電壓范圍Virms=198V～242V;DC輸出電壓Vo=390V;整個變換器效率η=90%。

4.1升壓電感

在Boost升壓電路中，為了有效防止出現噪聲，開關頻率必須大于20kHz。輸出功率和最小開關頻率由電感值的大小決定：

本文設定最小開關頻率[fsw（min）]=25kHz，高于音頻范圍（20Hz～20kHz），可避免噪聲干擾，將相關數據代入便求得電感值，綜合考慮，選取L=500uH。

4.2輸入電容

用來濾除高頻成分，取值過大過小都會對電路造成一定影響。電容值與最小開關頻率和前級紋波大小相關，紋波一般不大于等效阻抗最小值的5%，經相關變換可得出公式，即：

綜合考慮，選取C1=1μF。

4.3輸出電容

在選擇升壓型有源功率因數校正電路的輸出電容時，一般有以下幾個要求：體積小，耐壓水平高，能夠承受高溫，能夠承受并吸收一定的紋波電流。考慮到直流輸出電壓的大小，一般選擇額定耐壓值450V的電解電容。

輸出電容的大小與輸出紋波電壓峰值Vp-p、輸出電流[Io]相關，可按下式進行計算：

式中[fac]為輸入交流電頻率，Vp-p一般取輸出電壓的5%，綜合考慮，選取C3=150μF。

5仿真校驗

使用Synopsys公司的一款EDA軟件Saber搭建仿真原理圖，如下圖2所示。

各項參數根據計算設置為：輸入電壓220V，輸入頻率50Hz，升壓電感0.5mH，輸入電容1μF，輸出電容150μF，負載610Ω，其他外圍器件可查詢芯片手冊確定。

變換器的輸入電壓和輸入電流仿真波形如圖3所示，可以看出：隨著輸入電壓的變化，輸入電流緊密跟隨，基本趨近于同相位，功率因數近似為1。圖4為輸出電壓波形，可以看出：輸出電壓平均值約為389.01V，紋波峰峰值約為20.13V。輸出功率波形如圖5所示，輸出功率約為246.2W，由此可得變換器效率約為96%，總體達到預期設計效果。

6結論

在分析臨界模式功率因數校正原理的基礎上，對APFC主電路參數進行計算，以L6562這一臨界導電模式控制芯片為核心對仿真電路進行分析設計，結果表明該電路在中小功率的場合，能在很大程度上改善電源的功率因數，降低諧波污染。

參考文獻：

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【通聯編輯：光文玲】