PFC电路与BOOST电路设计实例.ppt

BOOST电路n功率因素校正（PFC）n基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法nPFC典型芯片UC3854介绍n基于Boost电路的PFC变换器设计实例1功率因素校正-谐波的危害2功率因素校正-谐波的危害n传统的AC-DC变换器和开关电源，其输入 电路普遍采用了全桥二极管整流，输出端 直接接到大电容滤波器n虽然不可控整流器电路简单可靠，但它们 产生高峰值电流，使输入端电流波形发生 畸变，使交流电网一侧的功率因素下降到 0.5~0.65，无功损耗过大因此我们必须引入功率因素较正 3功率因数和功率因数校正n功率因数的定义n功率因数校正的任务n正弦化，使电流失真因数n同相位，使相移因数 4功率因素校正（PFC）功率因素校正PFC是十几年电源技术进步的重大领域，它 的基本原理是：n是电源输入电流实现正弦波，正弦化就是要使其谐波为 零，电流失真因数n保证电流相位与输入电压保持同相位，两波形同相位， 相移因数 n最终实现功率因素PF=1的设计工作目标5功率因素校正（PFC）n两种主要的功率因素校正的方法1) 无源PFC技术2) 有源PFC技术6功率因素校正（PFC）n单管功率因素校正变换器的概念只用一个主开关管，可使功率因数校正到0.8 以上，并使输出直流电压可调，这种拓扑结构 称为单管单级PFC变换器。

7功率因素校正（PFC）单管功率因素校正变换器的电路类型nBucknBoostnBoost-BucknZetanCuknSepic8BOOST电路n功率因素校正（PFC）n基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法nPFC典型芯片UC3854介绍n基于Boost电路的PFC变换器设计实例9功率因素校正（PFC）n 基于Boost电路的PFC变换器的提出n Boost用于PFC的优势1.Boost可工作在三种模态CCM,BCM,DCM2.储能电感又是滤波器，可抑制电磁干扰EMI 和射频干扰RFI 电流波形失真小3.输出功率大4.共源极可简化驱动电路等优点 10基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法-概述nCCMnDCMnBCM11基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——DCM nDCMn假定在稳态条件下，在一个开关周期内，MOS管的导通时间为Ton，输入 电压为Ui，电感电流为i，电感电流峰值为 ，电感量为L，电感电流达 到峰值时，对应的输入电压为则在MOS管导通期间，有：其中， ， 因此 n如果输入周期内各开关周期的占空比近 似不变时，电感电流的峰值与输入电压 成正比。

因此，输入电流波形自然跟随 输入电压波形，电路不需要电流控制环 即可实现PFC功能12基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——DCMnDCM的关键要想保证电路在一定电压范围内处于断续模式，关键是电 感量的设计，下面给出电感量设计的最终公式：d1其中为MOS管导通占空比，d2为续流二极管导通占空比 ，L为电感量，fs为开关频率，Po为输出功率，mmin为Vo/Vin13基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法——DCMn要保证电感电流断续，必须满足d1+d250%时，电流环会产生次谐波振 荡现象，这种现象常出现在恒频PWM DC/DC变换器中，因此， 这个电路中也会发生这种现象为了克 服 这一现象，必须在比较 器的输人端加一斜坡补偿函数，但有时即使斜坡补偿后仍然不太 理想22PFC控制方法——CCM-Average Current Control2. 平均电流控制平均电流控制的原理框图入下23PFC控制方法——CCM-Average Current Control24PFC控制方法——CCM-Average Current Controln平均电流控制的优点q电流环有较高的增益带宽q跟踪误差小q瞬态特性较好qTHD(50%时，电流环会产生次 谐波振荡现象。

（2）平均电流控制 ：优点是电流环有较高的增益带宽、跟踪误差小、 瞬态特性较好、THD(<5%)和EMI小、对噪声不敏感、开关频率固定 、适用于大功率应用场合，其缺点是参考电流与实际电流的误差随着 占空比的变化而变化，从而可能会产生低次电流谐波 （3）滞环电流控制 ：优点是电流环带宽高，具有很强且具有很强的鲁 棒性和快速动态响应能力，电流跟踪误差小，硬件实现容易其缺点 负载大小对开关频率影响较大，不利于设计输出滤波器的优化设计 （4）单周控制：能优化系统响应、减小畸变和抑制电源干扰，有反应快 、开关频率恒定、鲁棒性强、易于实现、抗电源干扰、控制电路简单 等优点36上节内容回顾谐波污染的治理主要途径：n无源电力滤波器（PPF）n有源电力滤波器（APF）n有源功率因数校正器（APFC） 基于boost的PFCDCMBCMCCM平均电流控制峰值电流控制滞环控制单周期控制37BOOST电路n功率因素校正（PFC）n基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法nPFC典型芯片UC3854介绍n基于Boost电路的PFC变换器设计实例38PFC典型芯片UC3854介绍n概述n各引脚功能n构成n内部结构n性能n设计特点n极限工作条件n功率级应用范围39PFC典型芯片UC3854介绍-概述n1994年底UC公司推出了UC3854。

n随着Unitrode，Motorola，Silicon，Siemens等公 司相继推出了各种有源功率因数校正芯片，如 UC3852、UC3854,3854A\B、UC3855、 MC34261、ML4812、ML4821、TDA4814等 ,单 相有源功率因数校正技术发展很快40PFC典型芯片UC3854介绍-概述nUC3854为电源提供有源功率因素校正，它能按 正弦的电网电压来牵制非正弦的电流变化，该 器件能最佳的利用供电电流使电网电流失真减 到最小，执行所有PFC的功能41PFC典型芯片UC3854介绍-概述42PFC典型芯片UC3854介绍-各引脚功能UC3854各引脚功能n引脚1(Gnd)：所有的电压测量都以Gnd脚的地 电平为参考基准.n引脚2(PKLMT):峰值电流限制脚.n引脚3(CA Out):电流误差放大器输出脚.n引脚4(Isense):电流误差放大器反向输入端n引脚5(Mult Out):乘法器输出端和电流误差放 大器正向输入端.n引脚6(Iac):交流电流输入端.n引脚7(VA Out):电压放大器输出.n引脚8(Vrms):电网电压有效值端.43PFC典型芯片UC3854介绍-各引脚功能n引脚9(Vref):电压基准输出端.n引脚10(ENA):使能控制端.n引脚11(Vsense):电压放大器的反向输入 端. n引脚12(Rset):振荡器充电电流和乘法器 电流限制设置端n引脚13(SS):软启动端.n引脚14(Ct):振荡器电容器设置端.n引脚15(Vcc):正极性电源电压.n引脚16(GT Drv):栅极驱动. 44PFC典型芯片UC3854介绍-构成UC3854的主要构成n电压误差放大器n电网预置器（前馈电压）n模拟乘法器n电流误差放大器n三角波振荡器nPWM比较器nRS触发器n与MOSFET兼容的栅极驱动器n7.5V参考电压n欠压比较器n过流比较器n软启动逻辑45PFC典型芯片UC3854介绍-内部结构电压误差放大器46PFC典型芯片UC3854介绍-内部结构电网预置器（前馈 电压）47PFC典型芯片UC3854介绍-内部结构模拟乘法器 48PFC典型芯片UC3854介绍-内部结构电流误差放大 器49PFC典型芯片UC3854介绍-内部结构PWM比较器 50PFC典型芯片UC3854介绍-内部结构三角波振荡器 51PFC典型芯片UC3854介绍-内部结构RS触发器52PFC典型芯片UC3854介绍-内部结构与MOSFET兼容 的栅极驱动器53PFC典型芯片UC3854介绍-内部结构7.5V的参考电压54PFC典型芯片UC3854介绍-内部结构欠压比较器55PFC典型芯片UC3854介绍-内部结构过流比较器56PFC典型芯片UC3854介绍-内部结构软启动逻辑57PFC典型芯片UC3854介绍-性能nUC3854的主要性能为：n适用于Boost型电路n适用于CCM工作模式n平均电流控制n开关频率恒定，最高为200kHzn最大占空比为95%，n单信号输出n输出驱动电压14.5V，输出驱动电流1An软起动n输入电源欠压保护n输出过载保护功能58PFC典型芯片UC3854介绍-设计特点UC3854的设计特点 1）控制功率因素达到0.99 2）限制电网电流失真<5% 3）适用于全球电网电压（80~270AC) 4）前馈电网电压调节、低噪声、高灵敏度 5）平均电流模式控制 6）低启动电源电流，精密电压基准 7）固定频率脉宽调制(PWM) 8）低失调模拟乘法器 9) 1A栅极驱动器59PFC典型芯片UC3854介绍-工作条件nUC3854的极限工作条件1）电源电压Vcc:35V 2）栅极驱动：连续状态下为0.5A,50%占空比下为1.5A 3）输入电压 、 :11V， 、 ：11V， PKLMT:5V 4）输入电流、 、 、PKLMT和ENA:10mA 5）功率损耗：1W 6）贮存温度范围：-65~+150℃ 7）引线温度（焊锡）：+300 ℃ 8）注意：所有的电压值均以地为参考（脚1）；所有的电流 都按正极性流入规定端点；ENA输入钳位在约14V60PFC典型芯片UC3854介绍-功率级的应用范围n升压型PFC功率因素校正器的控制电路，几乎 不随变换器的功率大小而变。

一般500W的PFC与一个50W的PFC控制 电路基本相同，不同之处仅在功率电路，但控 制电路设计步骤基本相同61BOOST电路n功率因素校正（PFC）n基于Boost电路的PFC变换器及其控制方法nPFC典型芯片UC3854介绍n基于Boost电路的PFC变换器设计实例62基于Boost电路的PFC变换器设计实例63基于Boost电路的PFC变换器设计实例1.设计指标n输入电压：80VAC~270VACn输入频率：45Hz~65Hzn输出直流电压：400VDCn输出功率：250Wn功率因数：＞98%n输入电流THD: <5%64基于Boost电路的PFC变换器设计实例2.开关频率通常开关频率可以任意选择，但必须够高，使功 率电路小型化、减少失真并保持高的变换效率在多 数应用中，20~300kHz的开关频率范围是可接受的折 中方案作为体积和效率的折中，本例采用100kHz 的开关频率此外，电感值要合理的取小一些，使畸 变尖峰保持在最小范围内，电感的体积也尽可能的小 ，由二极管引起的损耗不能过大65基于Boost电路的PFC变换器设计实例电感设计电感的选择66基于Boost电路的PFC变换器设计实例3.电感的选择电感值决定了，输入端高频纹波电流总量，可按给出的 纹波电流值△I来选择电感值。

电感值的确定从输入正弦电流的峰值开始，而最大的峰 值电流出现在最小电网电压的峰值处：由上式可知，在此范例中，功率为250W,最小电网电压 为80V，此时最大峰值电流为4.42A.67基于Boost电路的PFC变换器设计实例3.电感的选择电感中的峰-峰值纹波电流，通常选择在最大峰值电流的20%左右 ，在此例中,最大峰值电流为4.42A,故峰-峰值纹波电流取 △I =900mA.电感值根据最低输入电压时半个正弦波顶部的峰点的电流来选择， 此时Vin=1.414×80=113.12V, fs=100kHz根据此处电压和和开关频率的占空比来选择：由上式可得L=0.89mH,取整为1mH.68基于Boost电路的PFC变换器设计实例电容设计输出电容的选择69基于Boost电路的PFC变换器设计实例4.输出电容涉及输出电容的选择因素有开关频率纹波电流、2次 纹波电流、直流输出电压、输出纹波电压。