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【轉載】一種新型帶充電泵單級PFC電路的AC/DC 變換器
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| 一種新型帶充電泵單級PFC電路的AC/DC 變換器 | |
| 作者：劉學(xué)超，張波，余建生 時(shí)間：2006-10-03 來(lái)源: | |
| 摘要：提出一種新型帶充電泵單級PFC 電路的AC/DC 變換器。文章闡述了利用充電泵電路實(shí)現高功率因數校正的理論，分析了該變換器的工作原理，同時(shí)討論了主要參數設計思路。最后給出28V/6A 實(shí)驗樣機測試結果，表明該變換器能實(shí)現高功率因數校正，電路簡(jiǎn)單實(shí)用，同時(shí)兼有低待機損耗和鉗位電路功能，能廣泛應用于數字視頻電源中。 關(guān)鍵詞：充電泵；功率因數校正；AC/DC變換器 引言 隨著(zhù)數字視頻產(chǎn)品的不斷發(fā)展，對其供電電源的要求愈來(lái)愈高，特別是對輸入諧波抑制和抗干擾能力。為了滿(mǎn)足IEC61000-3-2 國際標準，引入功率因數校正（PFC）電路成為電源設計者的當務(wù)之急。針對此標準要求，學(xué)者們先后提出了無(wú)源PFC與有源PFC兩種功率因數校正方案。目前PFC電路廣泛采用前級升壓PFC 變換器加上后級主功率變換器的雙級有源變換方案。由于受視頻產(chǎn)品電源工作效率和性?xún)r(jià)比的限制，雙級有源PFC電路由于成本高，元件數量多，對負載變化響應速度慢，整機效率相對較低，其應用受到一定限制。 為了克服這些缺陷，近年來(lái)，對于輸出功率小于250W 的變換器，單級無(wú)源PFC 成為較熱門(mén)的設計方案之一，主要方法是將無(wú)源功率因數校正與主功率反激變換器集成在一級變換中。它具有在實(shí)現輸出電壓快速調節的同時(shí)，不用增加功率開(kāi)關(guān)器件數和控制電路就能提高功率因數的特點(diǎn)。但是以往的單級PFC 變換器可靠性不高，變壓器設計較為復雜，很難滿(mǎn)足視頻供電電源的高可靠性，低成本的要求。所以需要提出更新穎的拓撲結構，簡(jiǎn)化設計，同時(shí)保證較高功率因數校正。本文嘗試提出一種基于充電泵PFC 的新型AC/DC 反激式變換器，它在較低成本的前提下滿(mǎn)足IEC61000-3-2 Class D的要求，從而能廣泛應用于數字視頻產(chǎn)品電源設計中。給出它的原理分析并提出主要參數設計思路，實(shí)驗設計了一臺28V/6A 變換器樣機，結果表明，功率因數大于0.96，滿(mǎn)載工作效率大于86%，待機損耗小于1W。電路拓撲簡(jiǎn)單可靠，適用于負載變化較大的數字視頻供電電源中。 工作原理 如圖1 所示，Vin 和iin 分別為不含PFC 的輸入電壓和電流波形，因為當輸入正弦電壓高于整流輸出濾波電容上電壓時(shí)，整流二極管才會(huì )導通，所以輸入電流只有在正負一小段時(shí)間內導通，這樣導致電流波形畸變，產(chǎn)生很大諧波。為了提高輸出功率因數，減小諧波，改善輸入電流波形，可以引入充電泵作為無(wú)源PFC 的概念，它的作用是使輸入電流波形從低電壓端流向高壓端，展寬輸入電流波形，經(jīng)過(guò)一定的設計，使之跟隨輸入電壓波形的變化 圖1中iin為加入充電泵后的輸入電流波形。  圖1 輸入電壓電流波形圖  圖2 簡(jiǎn)單充電泵電路 圖2 是一個(gè)簡(jiǎn)單的充電泵電路圖。假設輸入電壓V1小于輸出電壓V2；二極管VD1和VD2以及電容C 組成一個(gè)充電泵電路。通過(guò)高頻率方波脈沖V3（頻率為f3）來(lái)控制充電泵，假如方波峰值電壓V3 大于（V2－V1），充電泵就能使電流由低電壓V1流向高電壓V2。工作機理如下： （1）當V3 為低電平時(shí)，電壓V1 通過(guò)VD1 對電容C 充電，電荷  ，假設電容C 足夠小，電容很快就被充到V1。 （2）當V3 為高電平時(shí)，電容C 通過(guò)VD2 放電，此時(shí)  。根據電荷守恒原理  那么輸入電流I1 為  如果方波脈沖V3 的占空比為1/2，那么  如果V2=V3，同時(shí)輸入電壓V1 為工頻交流電通過(guò)整流橋的電壓Vin，因此從式（2）可知，輸入電流I1 可以跟隨輸入電壓 Vin 的變化，從而實(shí)現功率因數校正，并使電流可以由低壓端流向高壓端。 圖3 是所提出的帶充電泵PFC 電路的AC/DC變換器電路圖，其拓撲結合了上述的充電泵電路和單端反勵式變換器，采用支持低損耗及功率因數校正的電源管理IC TDA16846。輸入整流橋、電感L、充電泵電容C 以及二極管VD 組成了一個(gè)充電泵電路，此充電泵電路不僅具有PFC 功能而且兼有緩沖網(wǎng)絡(luò )的功能，鉗位開(kāi)關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰。圖4 是它的一個(gè)開(kāi)關(guān)周期工作波形。由于開(kāi)關(guān)管開(kāi)關(guān)頻率遠大于輸入工頻頻率，所以在分析開(kāi)關(guān)周期工作原理時(shí)，可以認為輸入電壓in V 近似保持恒定。下面分析該變換器的穩態(tài)工作原理。  圖3 帶充電泵PFC 電路的AC/DC 變換器 工作模態(tài)1 [t1～t2] 在t1時(shí)刻開(kāi)關(guān)管VT 受TDA16846 的控制而導通，開(kāi)關(guān)管漏源極電壓Vds由最大值 Vdsmax跳降到零， 同時(shí)通過(guò)電容C， 使電壓Vm由VP 跳變到-(Vdsmax-Vp)。在此開(kāi)關(guān)模態(tài)期間，電感L、電容C組成基本串聯(lián)諧振電路，對電容C 進(jìn)行充電。初始條件為iL(0) =0 ,VC(0)=Vp-Vdsmax所以   圖4 開(kāi)關(guān)周期工作波形 式中  由于變壓器一次電感的存在，變壓器一次電流iP 將線(xiàn)性增加，向變壓器傳送磁場(chǎng)能量。因為電壓Vm 低于大電容Cp 兩端電壓VP，二極管VD 截止。通過(guò)開(kāi)關(guān)管的電流i 包括諧振電流iL加上變壓器一次電流iP，VT 最大額定電流imax可以近似為  式中LP——變壓器一次電感量 Tonmax ——開(kāi)關(guān)管最大導通時(shí)間 工作模態(tài)2 [t2～t3] 在t 2時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管VT 開(kāi)始被關(guān)斷，由于開(kāi)關(guān)管寄生電容的存在，開(kāi)關(guān)管兩端電壓將會(huì )線(xiàn)性上升到Vdsmax，同時(shí)電壓Vm 也線(xiàn)性上升到VP，電容C放電。 Vm=Vds+Vc（5） 在t3時(shí)刻Vm 等于VP，二極管VD 開(kāi)始導通，電感電流L i 開(kāi)始改為向電容CP 放電，這使電感L中的磁場(chǎng)能量轉移到電容CP 中。利用這個(gè)原理，就使輸入電流從較低值的輸入電壓Vin 流向電容CP 上較高的VP 值，實(shí)現充電泵功能，將輸入電流波形展寬，提高輸入功率因數。 工作模態(tài)3 [t3～t4] 到達t3 時(shí)，開(kāi)關(guān)管VT 被截止，額定電壓保持在Vdsmax ，電容C 兩端電壓為 -(Vdsmax-Vp)。在此期間，變壓器兩端電壓翻轉，二次側二極管VDS 開(kāi)始導通，變壓器開(kāi)始向二次側釋放能量，形成反激電路。在此釋放磁能階段，一次電流iP 很快下降到零，電感電流iL則逐步向CP 放電而下降。在t4時(shí)刻，開(kāi)關(guān)管重新被開(kāi)通，變換器進(jìn)入下一開(kāi)關(guān)周期。 參數設計 該變換器的主變壓器設計可以按照反勵變壓器設計。因為存在反向恢復效應，輸入整流二極管和二極管VD 需要選擇快速恢復二極管，從而減小二極管反向恢復造成的開(kāi)關(guān)損耗。以下將重點(diǎn)討論輸入電感L 和充電泵電容C 的設計。 輸入電感L 由變換器工作原理討論可知，流過(guò)輸入電感L的電流工作于DCM 模式，根據DCM 升壓型PFC電感的計算公式可知  式中 Vinmax ——輸入電壓峰值 VP——充電泵輸出電壓，取為400V fS——開(kāi)關(guān)頻率，在20～50kHz 范圍內變化，滿(mǎn)載時(shí)約為50kHz 所以  選擇PC40 ER28 作為電感的磁心， 其中 Ae=85.4mm2，Bm=0.25T所以電感線(xiàn)圈匝數N  在開(kāi)關(guān)周期中，電感氣隙lg 可以根據下式求得  充電泵電容C 充電泵C 的設計涉及兩方面問(wèn)題，一方面電容值的提高有利于提高功率因數；另一方面，根據公式（4），過(guò)高的電容值將會(huì )增加流過(guò)開(kāi)關(guān)管的額定電流，所以需要綜合考慮。為了滿(mǎn)足工作模態(tài)1 的諧振條件要求，在滿(mǎn)載條件下，電容C 和電感L 諧振參數必須滿(mǎn)足下面的條件  其中Tonmax取為6μs，所以充電泵電容必須在4nF≤C≤15nF 范圍內，這里取C=10nF。 實(shí)驗結果及分析 為了驗證新型帶充電泵PFC 電路的AC/DC 變換器工作原理，在實(shí)驗室完成了一臺28V/6A 的實(shí)驗樣機，主要指標為：輸入電壓Vin= (220 ±20)V ，充電泵電路升壓輸出電壓Vp=(400 ±30)V ，輸出電壓Vo=(28 ±2.8)V ，輸出電流為6A，以下為實(shí)驗主要參數： 控制IC：TDA16846 開(kāi)關(guān)管VT：SPP11N60C3 電感L：0.74mH 充電泵電容C：10nF/1000V 變壓器Tr：PC40 ER40 變壓器一次電感Lp：350μH 儲能電容Cp：330μF/450V 輸出電容Cf：4700μF/50V 二極管VD：MUR860 由圖5 可見(jiàn)，電容兩端電壓波形包絡(luò )線(xiàn)跟隨輸入電壓變化，促使充電泵電路具有升壓型PFC 功能。圖6 可知，電壓Vm 和Vds 波形與前述工作理論分析是一致的，共有三個(gè)工作模態(tài)。同時(shí)，由于充電泵電容C 的存在，由變壓器漏感引起的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷尖峰很小，所以該充電泵PFC 兼有箝位電路功能，不再需要RCD 鉗位電路。  圖5 充電泵電容電壓VC 和輸入電壓in V 波形 圖7 為輸入電壓電流在滿(mǎn)載條件下的測試波形；圖8 為各次諧波電流含量圖。實(shí)測結果表明，功率因數PF 為0.9688，THD 為23.2%，整機最大效率為87%。同時(shí)，因為T(mén)DA16846 具有變頻功能，在輕載時(shí)開(kāi)關(guān)頻率降為20kHz，這樣有利提高變換器的待機損耗，實(shí)測待機損耗小于1W，這也是該變換器的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)。  圖6 電壓Vm 和開(kāi)關(guān)管漏源極電壓Vds  圖7 輸入電壓和電流波形  圖8 各次諧波電流含量圖 結論 本文將充電泵電路和反勵變換器有效地結合在一起，得到一種新型AC/DC 變換器，它具有較高功率因數校正，成本較低，效率高，同時(shí)兼有箝位電路功能的特點(diǎn)。170W 樣機實(shí)驗證明，該電路可靠性高，適用于負載變化較大的中小功率數字視頻供電電源中。 |
