Topswitch在PFC中的應(yīng)用

     功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)各種電源裝置電網(wǎng)側(cè)電流正弦化,使電網(wǎng)資源得到充分利用,基本上消除負(fù)載與電網(wǎng)?負(fù)載與負(fù)載之間的高次諧波污染,凈化電網(wǎng)?單相PFC已進(jìn)入實(shí)用階段,其實(shí)現(xiàn)方式多種多樣,較為常見的有用UC3854為控制IC設(shè)計(jì)的3kW以下的PFC電路,但該電路較為復(fù)雜,外圍元件多,特別是小功率器件的應(yīng)用?本節(jié)介紹用TOPS-itch設(shè)計(jì)的功率在150W以下的簡(jiǎn)捷PFC電路設(shè)計(jì)?

     1. Topswitch在PFC中應(yīng)用的設(shè)計(jì)原理

     Topswitch為三端脈寬調(diào)制(PWM)開關(guān),在實(shí)現(xiàn)相同功能?外圍元件較少的前提下,Topswitch具有開關(guān)電源所有必需的功能,且內(nèi)含功率MOSFET?PWM控制器?內(nèi)啟動(dòng)電路?環(huán)路補(bǔ)償和熱關(guān)斷電路,使電源電路得以進(jìn)一步簡(jiǎn)化,縮短設(shè)計(jì)時(shí)間?Topswitch的設(shè)計(jì)除具有上述較大優(yōu)點(diǎn)外,其設(shè)計(jì)的電源電路還可保證得到較高的電源效率

   圖5-42為一個(gè)簡(jiǎn)單的應(yīng)用Topswitch設(shè)計(jì)的升壓型PFC電路?其工作頻率為10kHz,遠(yuǎn)高于電網(wǎng)頻率,通過(guò)電源濾波器在電網(wǎng)側(cè)可以實(shí)現(xiàn)正弦輸入電流波形,并且與輸入電壓的波形同相?這個(gè)電路在提升電感上產(chǎn)生的波形示意圖如圖5-43所示?虛線為經(jīng)過(guò)電原濾波器在電網(wǎng)側(cè)出現(xiàn)的電流波形?該波形就是開關(guān)管工作在電流斷續(xù)狀態(tài)下產(chǎn)生的?提升電感?Topswitch和二極管上的電流IL?Ir?ID如圖5-44所示?在這個(gè)電路中,=Ir+ID,l1的電流波形即為Ir和ID電流波形的簡(jiǎn)單疊加?圖5-45為實(shí)際測(cè)試的波形?從圖中可以看出,在固定周期的情況下,它的電流與正弦電流相差較大,經(jīng)過(guò)補(bǔ)償后的輸入電流實(shí)際測(cè)試波形如圖5-46所示?總諧波失真(THD)不超過(guò)18%,功率因數(shù)(PF)為0.978?

   預(yù)補(bǔ)償原理

     如圖5-47所示,在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi),I1平均值不隨整流后電壓瞬時(shí)值線性變化,即輸入電壓瞬時(shí)值上升后,平均值上升更快?經(jīng)過(guò)電源濾波后,產(chǎn)生如圖5-45所示的非正弦波形?為了使電流波形進(jìn)一步正弦化,可以采用預(yù)補(bǔ)償方式,即采用恒頻非恒占空比的控制方式

     產(chǎn)生這種結(jié)果的原因是:在Topswitch的整個(gè)工作過(guò)程中,提升電感上的電流是TOPSwitch上電流和提升二極管電流的代數(shù)和(見公式I1=I+ID), Topswitch上的電流隨著整流后的輸入電壓呈線性關(guān)系,平滑后是正弦電流?可是提升二極管上的電流隨著輸入電壓的升高而迅速上升,呈非線性關(guān)系,平滑后不是正弦電流?這樣疊加的結(jié)果使提升電感上的電流就不是正弦的?

    因?yàn)樘嵘O管上的電流不受控,所以要想改善提升電感上電流波形,就只能通過(guò)控制IC改善Topswitch的電流波形,使Topswitch上的波形不是一個(gè)正弦波,以此來(lái)補(bǔ)償提升二極管不是正弦波的缺陷?這個(gè)問(wèn)題是很多無(wú)乘法器的控制IC在Boost電路中普遍存在的問(wèn)題,這些都可以通過(guò)預(yù)補(bǔ)償?shù)姆绞降靡愿纳?改善的關(guān)鍵就是選擇合適的預(yù)補(bǔ)償電阻?

     在輸入高電壓時(shí)減小Ir的占空比,這樣使得I1的波形就不再如5-45所示?經(jīng)過(guò)補(bǔ)償?shù)碾娏鞑ㄐ稳鐖D5-47所示,這樣IL的波形已經(jīng)近似于正弦波,電路原理圖如圖5-48所示,通過(guò)預(yù)補(bǔ)償電阻R1和直接輸出電壓檢測(cè)電路控制流入Topswitch控制腳的電流,使Topswitch

     的調(diào)制方式變成恒頻非恒占空比的方式,達(dá)到較為理想的PFC?占空比與瞬時(shí)輸入電壓呈線性關(guān)系, Topswitch具有電流線性控制占空比變換器,當(dāng)流入Topswitch控制引腳的電流在2.0~6.0mA范圍內(nèi)增大時(shí), Topswitch的占空比將從67%下降到1.7%,所以通過(guò)預(yù)補(bǔ)償電阻控制部分Topswitch控制引腳的電流來(lái)控制占空比?預(yù)補(bǔ)償電阻的選擇是很重要的(后文對(duì)預(yù)補(bǔ)償電阻的選擇有論述)?當(dāng)整流后的電壓較低時(shí), Topswitch的控制引腳通過(guò)預(yù)補(bǔ)償電阻R1泄放電流,使流入控制引腳的電流減小,這時(shí)Topswitch的占空比較大?

    隨著整流后的輸入電壓的增高,流入Topswitch控制引腳的電流也將逐漸增加, Topswitch的占空比逐漸減小?當(dāng)輸入電壓達(dá)到較高時(shí), Topswitch的占空比較小,這就完成了恒頻非恒占空比的控制方式?在圖5-47中可以看出,預(yù)補(bǔ)償以后,由于Topswitch上的電流減小了,提升電感上的電流三角形的面積小于預(yù)補(bǔ)償以前的,電流的平均值也就減小了,平滑后的電流波形也就接近正弦波形了,如圖5-49所示?占空比隨著瞬時(shí)輸入電壓的變化而變化?這時(shí)THD<7%,PF為0.98?