詳解單級(jí)PFC反激式電路

詳解單級(jí)PFC反激電路近段時(shí)間一直忙著弄畢業(yè)論文，上論壇比較少了，前兩天論文提交送審，打算發(fā)一個(gè)帖子，詳細(xì)介紹一下單級(jí)PFC反激式電路構(gòu)造。單級(jí)PFC的反激式構(gòu)造相信做LED電源的都不會(huì)很陌生，但估計(jì)大多數(shù)工程師做的工作限于按照IC廠商的datasheet設(shè)計(jì)產(chǎn)品，其中詳細(xì)的原理很少有人細(xì)究?？紤]到工程應(yīng)用中，復(fù)雜的公式實(shí)用價(jià)值不高，本貼將著重于定性地分析電路的工作原理，同時(shí)配合手頭上能夠提供的仿真和實(shí)例分析。本帖首先介紹常用單級(jí)PFC反激式構(gòu)造的幾種工作模式，重點(diǎn)介紹一下適合用于做大功率〔100W左右〕的電路構(gòu)造，也就是本帖實(shí)例介紹的FOT控制模式。首先提出幾個(gè)問(wèn)題，希望大家能夠一起探討。1、為什么市面上大多數(shù)單級(jí)PFC的LED驅(qū)動(dòng)器都選用臨界或者斷續(xù)工作模式？2、為什么單級(jí)PFC的PF值隨輸入電壓升上下降？3、為什么單級(jí)PFC的輸出紋波如此之大？為了答復(fù)上面的幾個(gè)問(wèn)題，首先有必要講一下單級(jí)PFC的根本原理。臨界模式的單級(jí)PFC最早應(yīng)該是由L6562這顆PFC控制芯片改進(jìn)得來(lái)的，先給出一個(gè)框圖描述L6562用于單級(jí)PFC的根本構(gòu)造和外圍電路，定性分析工作原理。先撇開(kāi)PFC局部的功能，這個(gè)框圖和普通的定頻峰值電流控制模式反激式電路的區(qū)別在于沒(méi)有固定的時(shí)鐘信號(hào)，開(kāi)關(guān)管開(kāi)啟，初級(jí)電感電流上升到Rs上壓降到達(dá)乘法器輸出電壓時(shí)，RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。對(duì)于定頻PWM控制IC，開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通受固定頻率時(shí)鐘信號(hào)控制，而L6562則會(huì)一直等到磁芯完成退磁，ZCD檢測(cè)到輔助繞組電壓回落到Vref-2時(shí)才重新開(kāi)啟開(kāi)關(guān)管，因此電路被強(qiáng)制工作在臨界模式下。再來(lái)看PFC功能。乘法器的輸入分別來(lái)自誤差放大器的輸出和整流后饅頭狀正弦半波的分壓，因此乘法器輸出也是饅頭狀正弦半波，則最終初級(jí)電感電流峰值也就跟隨饅頭狀正弦半波，下面這個(gè)圖可以說(shuō)明問(wèn)題。這個(gè)圖中可以得到很多信息，首先是，跟隨線電壓半波的是初級(jí)電感峰值電流，而輸入平均電流和初級(jí)電感峰值電流的關(guān)系為Iin-avg=Ipk*D/2，由于D是一個(gè)隨線電壓瞬時(shí)值升高而降低的變量，因此輸入電感的平均電流較標(biāo)準(zhǔn)正弦半波而言要更加扁，功率因素不可能到達(dá)理想的1。則怎樣提高功率因素呢？我們?cè)倏矗醇な诫娐分蠨的表達(dá)式為：D=Vor/〔Vor+Vin〕，Vor是反射電壓，Vin是輸入電壓。單級(jí)PFC中，Vor=n*〔Vo+Vd〕根本可認(rèn)為是不變的，而Vin是隨著線電壓相角變化的，為了提高PF，必須減弱D隨線電壓變化的程度，那唯一的方法就是增大Vor，當(dāng)Vor大到一定程度時(shí)，Vin從零變化到線電壓峰值，D根本可認(rèn)為不變了，則功率因素就近似為1了。通過(guò)以上的分析，應(yīng)該巳經(jīng)完全解釋了帖子開(kāi)場(chǎng)提出的問(wèn)題2。在工程設(shè)計(jì)中，對(duì)于全電壓情況下，通常的設(shè)計(jì)使得110V下的功率因素可以很容易超過(guò)，但到了265V的時(shí)候，通常只有左右了，針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，可以說(shuō)，根本是沒(méi)有方法的，進(jìn)一步提高匝比，或者說(shuō)是反射電壓，肯定可以進(jìn)一步改善，但是MOS管的耐壓就要進(jìn)一步提高了，此外，過(guò)高的反射電壓會(huì)導(dǎo)致另一個(gè)問(wèn)題。這個(gè)問(wèn)題就是，當(dāng)反射電壓明顯大于輸入電壓時(shí)，變換器如果在斷續(xù)工作模式〔包括準(zhǔn)諧振〕，則退磁完成進(jìn)入自由振蕩后，MOS管的漏極會(huì)出現(xiàn)負(fù)壓，導(dǎo)致MOS管的體二極管導(dǎo)通，效率顯著降低了。繼續(xù)來(lái)看上面那個(gè)圖中包含的信息。圖中白色的三角狀局部表示次級(jí)電感電流峰值，對(duì)這個(gè)電流取平均值，就得到了次級(jí)電流的平均，和輸入電流波形一樣，是一個(gè)100Hz的比正弦半波更扁的低頻波，這個(gè)電流最終被分為兩局部，一局部流入輸出濾波電容，一局部流入負(fù)載。理想情況下，電容上將吸收所有的交流，輸出負(fù)載只流過(guò)直流，但這個(gè)交流成分的頻率是100Hz，要處理如此的低頻紋波，電容容量會(huì)大的驚人，因此，第三個(gè)問(wèn)題得到了解答，單級(jí)PFC的紋波很大也是從構(gòu)造上沒(méi)有方法改善的。增加一級(jí)次級(jí)調(diào)節(jié)器也許是唯一的方法。接著討論占空比相關(guān)的問(wèn)題。如果輸出電壓電流以及輸入線電壓不變，臨界或者斷續(xù)模式下的單級(jí)PFC每一個(gè)開(kāi)關(guān)周期的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間是保持恒定的，這就保證了初級(jí)電感峰值電流跟隨饅頭狀的正弦半波。但是需要引起注意的是，導(dǎo)通時(shí)間必定隨著輸出負(fù)載功率的增加以及線電壓的降低而增大，至于道理很簡(jiǎn)單，因?yàn)槟芰渴睾?，輸出能量大了，輸入電壓低了，那輸入電流必須增大，因此?dǎo)通時(shí)間勢(shì)必增大。導(dǎo)通時(shí)間增大同時(shí)導(dǎo)致關(guān)斷時(shí)間也要增大，最終在臨界模式單級(jí)PFC中出現(xiàn)的現(xiàn)象是，平均開(kāi)關(guān)頻率的最低值發(fā)生在最低線電壓和重載下，最高值發(fā)生在最高線電壓和輕載下，最低我們知道不宜低于20KHz，否則可能有音頻噪聲，最高，通常不高于150KHz，以免進(jìn)入傳導(dǎo)EMI測(cè)試頻段，這就是很多IC內(nèi)部為什么限定最高與最低頻率的原因。開(kāi)篇的三個(gè)問(wèn)題，還有第一個(gè)沒(méi)有答復(fù)，單級(jí)PFC通常工作在臨界模式或者斷續(xù)模式，這涉及到的原因很多，下面一一道來(lái)，不全面的地方歡迎大家補(bǔ)充。第一個(gè)原因：?jiǎn)渭?jí)PFC工作在斷續(xù)或者臨界模式下可以實(shí)現(xiàn)原邊恒流。斷續(xù)或者臨界模式下，初次級(jí)側(cè)電感電流均為三角波，輸出平均電流可以表達(dá)為Io=Ipks*D'/2,D‘是退磁時(shí)間，臨界模式中可以近似等于1-D，其中Ipks=n*Ipkp，而1-D可以從從初級(jí)側(cè)驅(qū)動(dòng)信號(hào)下降沿計(jì)時(shí)到過(guò)零檢測(cè)觸發(fā)完畢得到，因此，斷續(xù)或者臨界模式下要實(shí)現(xiàn)恒流，所需的全部信息可以從初級(jí)側(cè)得到。連續(xù)模式下則是不行的，因?yàn)殡娏鞯墓戎凳遣欢ǖ?。?dāng)然，連續(xù)模式下要實(shí)現(xiàn)原邊恒流也未必不可能，有興趣的可以參看一下上海占空比的DU8623，細(xì)讀一下其恒流專(zhuān)利，盡管這是一個(gè)BUCK構(gòu)造的IC，但其恒流思路用在連續(xù)模式下的原邊反響應(yīng)該是可行的，這里就不詳述了。第二個(gè)原因：大信號(hào)不穩(wěn)定現(xiàn)象。單級(jí)PFC在線電壓瞬時(shí)值較低時(shí)，占空比非常大，遠(yuǎn)超過(guò)，如果采用常見(jiàn)的定頻PWM并且工作在連續(xù)模式，將產(chǎn)生次諧波不穩(wěn)定問(wèn)題，并且，由于輸入電壓是瞬間變化的饅頭狀正弦半波，企圖通過(guò)斜率補(bǔ)償來(lái)消除這一不穩(wěn)定現(xiàn)象幾乎是不可能的。本帖最終介紹的大功率單級(jí)PFC采用固定固定關(guān)斷時(shí)間的控制方法，防止了次諧波不穩(wěn)定問(wèn)題。第三個(gè)原因：小信號(hào)不穩(wěn)定現(xiàn)象。這個(gè)問(wèn)題可以說(shuō)是比較牽強(qiáng)的，眾所周知斷續(xù)模式下不存在右半平面零點(diǎn)問(wèn)題，但實(shí)際上，單級(jí)PFC的環(huán)路帶寬非常低，完全避開(kāi)了右半平面零點(diǎn)頻率。應(yīng)該還有其他的原因，歡迎大家補(bǔ)充。先來(lái)個(gè)實(shí)例，很早以前做的，LT3799，通用輸入范圍，輸出1A恒流，電壓20--25V。實(shí)測(cè)的功率因素如上圖，全電壓下，265V時(shí)的功率因素只有左右了，再上個(gè)圖看一下電流波形。第一個(gè)對(duì)應(yīng)的功率因素為，第二個(gè)對(duì)應(yīng)的為，時(shí)的波形失真巳經(jīng)相當(dāng)嚴(yán)重了，估計(jì)THD超過(guò)20%吧。再看一下輸出電壓紋波。這是輸入220V/50Hz，輸出25V/1A時(shí)的輸出電壓波形，輸出濾波電容為兩個(gè)470uF，低頻紋波的峰峰值為，到達(dá)了輸出電壓的1/10。這個(gè)情況還不算惡劣的，輸出大電流的情況下，低頻紋波更顯著。繼續(xù)來(lái)寫(xiě)，首先上傳幾個(gè)文件。這兩個(gè)文件可能見(jiàn)過(guò)的不算陌生，第一個(gè)應(yīng)用手冊(cè)非常詳細(xì)地推導(dǎo)了臨界模式單級(jí)PFC的大信號(hào)工作原理，第二個(gè)表格則用來(lái)計(jì)算變壓器。很多工程師可能不需要詳細(xì)的計(jì)算就能做出一個(gè)合格的電源，但前提肯定是反復(fù)地嘗試，最終形成了積累。單級(jí)PFC的變壓器設(shè)計(jì)如果完全用公式來(lái)量化，可以說(shuō)是非常復(fù)雜的，涉及到一些無(wú)法用代數(shù)表達(dá)式表示的積分項(xiàng)，所以設(shè)計(jì)表格中出現(xiàn)了多項(xiàng)式形式的近似計(jì)算。下面開(kāi)場(chǎng)引入重點(diǎn)了，為什么臨界模式的單級(jí)PFC功率不適宜做大？希望大家可以一起討論。使用24樓上傳的表格，設(shè)計(jì)一個(gè)19V，5A，輸出功率約90W的單級(jí)PFC反激電路，輸入范圍為90--265VAC，設(shè)定最低工作頻率為45KHz，匝比取5：1，預(yù)估效率85%，從表格中可以看出，此時(shí)的初級(jí)電感峰值電流超過(guò)7A，有效值電流超過(guò)2A，而此時(shí)的初級(jí)電感量?jī)H174uH。這對(duì)MOSFET提出了很大的挑戰(zhàn)，2A的RMS電流，如果將導(dǎo)通損耗控制在1W左右的話，要求Rdson低于250mR，而對(duì)于100V的反射電壓，MOSFET的耐壓通常要650V，單管能夠?qū)崿F(xiàn)這個(gè)要求的，價(jià)格不菲！提高最低開(kāi)關(guān)頻率，不會(huì)影響初次級(jí)電感電流，但可以減小初級(jí)電感量，這看起來(lái)似乎是不錯(cuò)的，因?yàn)楦鶕?jù)N=Ipkp*L/〔detaB*Ae〕可以得出，這樣做可以減小繞組匝數(shù)，有利于減小磁芯體積，然而事實(shí)上，初級(jí)電感量減小將導(dǎo)致漏感的控制變得更加困難，此外，臨界模式下，Ipkp的幅值決定了detaB的擺幅，也就是說(shuō)臨界模式下的detaB通常取得比較大〔通常在〕，為了降低磁芯損耗，提高開(kāi)關(guān)頻率往往不得不相應(yīng)減小detaB的擺幅。上仿真。saber自帶了L6562的模型，搭建一個(gè)輸出19V/5A的恒壓?jiǎn)渭?jí)PFC，如上面介紹，使用線性變壓器模型，初級(jí)電感量180uH，次級(jí)和輔助電感量均為，等效為5：1的匝比。首先看一下輸出電壓波形。輸出用了兩顆4700uF的電容，測(cè)了一下，仿真得到的紋波電壓峰峰值約2V,這顯然是非常大的，但實(shí)際情）兄會(huì)比仿真的更差一些。再上一張半個(gè)線電壓周期的驅(qū)動(dòng)及ZCD引腳波形。盡管不是很清晰，但從驅(qū)動(dòng)波形可以看出開(kāi)關(guān)頻率的變化趨勢(shì)，隨線電壓瞬時(shí)值的增大而降低。最后上一張最為關(guān)心的，初級(jí)側(cè)電流波形。圖的上局部是采樣電阻上的電壓波形，表征初級(jí)電感峰值電流包絡(luò)，下局部是采樣電阻上經(jīng)過(guò)平滑后的電壓波形，可以近似看作取絕對(duì)值后的輸入電流波形。很明顯，這個(gè)電路很大程度上改善了輸入電流波形，應(yīng)該有不錯(cuò)的功率因素。關(guān)于saber如何測(cè)量功率因素，我不會(huì)用，有會(huì)用的，希望學(xué)習(xí)一下。如果對(duì)電流波形作傅里葉變換，可以得到THD圖，但這里的電流并不是輸入電流，因此傅里葉變換后包含直流成分，且原來(lái)的50Hz在這里成了100Hz，不是和適合用來(lái)分析，這里就略過(guò)了。降低峰值電流和RMS電流，這是將單級(jí)PFC做成CCM模式的最要目的。連續(xù)模式下，定頻PWM的方式肯定不能用簡(jiǎn)單的峰值電流控制模式，因?yàn)椴豢煞乐沟拇沃C波不穩(wěn)定問(wèn)題，因此平均電流控制模式是一種選擇。安森美的NCP1651/2就是采用定頻PWM，平均電流控制模式的一顆用于單級(jí)PFC的IC，有興趣的讀者可以自己了解一下。這顆IC可以穩(wěn)定工作在DCM或者CCM下，但外圍電路比較復(fù)雜，同時(shí)IC的價(jià)格也相對(duì)較高。是否還有其他控制模式保證CCM下不出現(xiàn)次諧波問(wèn)題呢？首先搞清楚一下次諧波振蕩的根本原因。在峰值電流控制模式下，EA的輸出直接決定了峰值電流的大小，輸入輸出規(guī)格不變時(shí)，EA保持為一個(gè)固定直流電平輸出，同時(shí)，電感量也是固定的，因此，電流的上升和下降斜率也是一定的。如果在穩(wěn)定工作時(shí)突然出現(xiàn)電感電流波動(dòng)，比方寄生參數(shù)干擾，假設(shè)波動(dòng)是正向的，為了實(shí)現(xiàn)要求輸出功率〔即峰值電流到達(dá)EA輸出電平〕，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間必定要減少，由于頻率固定，那關(guān)斷時(shí)間就會(huì)延長(zhǎng)，延長(zhǎng)將致使電流在下一個(gè)周期開(kāi)場(chǎng)時(shí)出現(xiàn)更大的波動(dòng)，周而復(fù)始，最終驅(qū)動(dòng)波形出現(xiàn)大小交替。這種情況僅僅會(huì)在占空比超過(guò)時(shí)發(fā)生，詳解可以從下面這個(gè)圖得出。這個(gè)圖來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)，由于不知道最初出處，這里先引用了。說(shuō)白了，次諧波振蕩是由于開(kāi)關(guān)頻率和電流擺率固定造成的，一旦電流出現(xiàn)波動(dòng)，將無(wú)法自動(dòng)復(fù)位。如果將定頻控制改成固定關(guān)斷時(shí)間控制，那就很好解決了這個(gè)問(wèn)題，無(wú)需多說(shuō)，下面這個(gè)圖可以一目了然。不管是否出現(xiàn)波動(dòng)，關(guān)斷時(shí)間始終固定，最終電流是無(wú)條件復(fù)位的。固定關(guān)斷時(shí)間控制，這個(gè)我是參考了ST的技術(shù)文檔，這個(gè)文檔講L6562結(jié)成了固定關(guān)斷時(shí)間控制模式，用于PFC電路，將功率做到了375W，則同樣的構(gòu)造用在單級(jí)PFC會(huì)怎樣呢？首先上傳這個(gè)文件，關(guān)于具體的工作原理，有興趣的可以自己仔細(xì)閱讀一下。我這里首先給出我的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)目標(biāo)是輸入90--265VAC，輸出19V/5A，恒壓限流構(gòu)造。首先上傳一以下圖片。這個(gè)設(shè)計(jì)原邊打算做到120W的，因此磁芯選的有點(diǎn)大〔EC39〕，估計(jì)做100W左右，EC35或者PQ3230肯定足夠了，由