有源功率因数校正前置升压变换器的设计应用
来源:jsp发布时间:2011-09-1419浏览
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1 引言
提高开关电源的功率因数，不仅可以节能，还可以减少电网的谐波污染，提高了电网的供电质量。为此研究出多种提高功率因数的方法，其中，有源功率因数校正技术（简称APFC）就是其中的一种有效方法，它是通过在电网和电源之间串联加入功率因数校正装置，目前最常用的为单相BOOST前置升压变换器Ô理，它由专用芯片实现的，且具有高效率，电路简单，成本低廉等优点，本文介绍的低成本零点流型APFC控制芯片FAN7528N即可实现该功能。
2 FAN7528的电路特点
2.1 如图1所示，FAN7528N DIP8封装，也有SMD封装（FAN7528M），内部含有自启动定时器，正交倍增器，零电流检测器，图腾柱驱动输出、过压、过流、欠压保护等电路。
2.2 FAN7528 PFC控制芯片的性能特点
该芯片的最大特点是采用零电流导通变频控制模式，其它性能特点如下：
« 内置启动定时电路；
« 内置R/C滤波器，可省掉外部R/C；
« 过压及欠压比较器；
« 零电流检测器；
« 单象限乘法器；
« 1.5％的内部可调整的带宽；
« 低启动电流及低工作电流
FAN7528是一个引脚简单，高性能的有源功率因数校正芯片。它是被优化的，稳定的，低功耗，高密度的电源芯片，且外围元器件少，节省了PCB布线空间。内置R/C滤波器，抗干扰能力强，对抑制轻载漂移现象增加了特殊电路。对辅助电源范围不要求，输出图腾驱动电路限制了功率MOSFET短路的危险，极大地提高了系统的可靠性。
3 有源功率因数校正原理设计
3.1如图2所示控制芯片采用FAN7528，功率MOSFET Q1的通、断受控于FAN7528N的零点流检测器，当零电流检测器中的电流降为零时，即升压二极管D1中的电流为零时，Q1导通，此时的电感L开始储能，电流控制波形如图3所示，这种零电流控制模式有以下优点：
« 由于储能电感中的电流为零时，Q1才能导通，这样就大大减少了MOSFET的开关应力和损耗，同时对升压二极管的恢复时间没有严格的要求，另一方面免除了由于二极管恢复时间过长引起的开关损耗，增加了开关管的可靠性。
« 由于开关管的驱动脉冲时间无死区，所以输入电流是连续的并呈正弦波，这样大大提高了系统的功率因数。
3.2 应用设计举例
技术要求：
« 输入电网电压范围：AC90V-265V
« 输出直流电压： DC400V
« 输出功率：150W
PFC电感的设计
确定磁芯的型号
磁芯选用：EI40材料：PC40(AL=4860±25%)nH/N2
输出功率：P0=V0I0 式中V0为输出电压，I0为输出电流
计算电感的峰值电流Ipk(η1=0.98)
Ipk=2V0I0/(η1×Vin(peak))，将输入电压Vin=85V，264V分别代入求得，
Ipk1=2.71A，Ipk2=0.87A
计算电感的电感量L(设定最小开关频率fsw(min)=33kHz)
L=η1/(4 fsw(min) V0I0(1/V2in(peak)+1/ (Vin(peak)( V0- Vin(peak))))，将Vin=85V，IVin=264V分别代入上式求得，L1=560μH，L2=530μH，实际取L=535︿550μH电感的电气原理图：如图４所示
升压MOSFET的选择：
计算流过MOSFET的最大有效值电流IQrms
IQrms=2√2 V0I0(max)/(η1×Vin(LL))×(1/6-4√2 Vin(LL)/(9π×V0))1/2
代入相关数值得，IQrms=0.955A
故流过MOSFET的峰值电流取为Ipk =1.2×IQrms=1.15A
计算MOSFET所承受的最大反向电压VDS(max)
VDS(max)=1.2×264×√2=450V
确定MOSFET的规格型号
根据Ipk、VDS(max)及降低功耗的Ô则，选用Fairchild的MOSFET,其型号及技术指标如下：
FQP13N50，VDSS=500V，ID=12.5A，RDS(on)=0.43Ω，PD=170W TO-3P
升压二极管的选择：
计算流过二极管的平均电流IDavg
IDavg=I0(max)=0.4075A
故流过二极管的峰值电流取为Ipk =1.2×I0(max)=0.489A
计算二极管的最大反向电压VR(max)
VR(max)=1.2×V0=480V
确定二极管的规格型号
根据Ipk、VR(max)，选用IXYS的HiPerFREDTM二极管，其型号及技术指标如下：
DSEP 6-06AS，VRRM=600V，IFAV=6A，Ptot=55W，TO-252 A
整流桥的选择
计算整流桥所承受的最大反向电压VR(max)
VR(max)=√2×Vin(max)=375V
计算流过整流桥的有效电流Irms
Irms=Pin/V(in-max)rms=1.36A
故流过整流桥的最大电流值：1.4×Irms=1.90A
确定整流桥的规格型号
根据上述条件选用RECTRON的整流桥，其规格型号及技术指标如下：
RS406L，VRRM=600V，6A
其它参数按常规APFC，参照FAN7527使用说明，此处略。
如图５所示FAN7528N在APFC前置变换器中的应用电路
4 使用FAN7528的问题及解决方法
« PFC中的自举二极管速度越快越好；
« 注意MOSFET的源极与地线的连接，减少谐振的发生；
« PFC升压后高压电容的容量要够，尽量采用标准值；
« 整流桥后的金属化薄膜电容调整可以改变谐振；
« FAN7528的1脚和3脚之间加R/C，适当调整参数可以减少轻载不稳定；
« FAN7528的1脚和2脚之间的电容值影向启动时间；
« 该芯片在使用中发现，有很多优点，也有缺点。
5 结语
该设计¾多次反复试验，PFC升压电感参数调整，及其它外围参数设计试验确定，功率MOSFET等器件的计算，已成功设计出150W升压前置变换器，且后级设计DC-DC，已成功用于24VDC/5A输出，120W功率因数校正开关电源，功率因数高达0.998,整机效率高达88%。
按照此方案还可以设计出200W-300W功率电源。实践证明该方案是可行的，有一定的应用价值。
参考文献：
[1] FAN7528N使用手册及应用设计，2007年2月
[2] 赵珂，苏达义 MC34262系列PFC控制芯片的应用研究［J］。电源技术应用，2001年，第1•2期： P36-38。
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