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【轉(zhuǎn)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：劉學超，張波，余建生 時間：2006-10-03 來源: | |
| 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現(xiàn)高功率因數(shù)校正的理論，分析了該變換器的工作原理，同時討論了主要參數(shù)設(shè)計思路。最后給出28V/6A 實驗樣機測試結(jié)果，表明該變換器能實現(xiàn)高功率因數(shù)校正，電路簡單實用，同時兼有低待機損耗和鉗位電路功能，能廣泛應(yīng)用于數(shù)字視頻電源中。 關(guān)鍵詞：充電泵；功率因數(shù)校正；AC/DC變換器 引言 隨著數(shù)字視頻產(chǎn)品的不斷發(fā)展，對其供電電源的要求愈來愈高，特別是對輸入諧波抑制和抗干擾能力。為了滿足IEC61000-3-2 國際標準，引入功率因數(shù)校正（PFC）電路成為電源設(shè)計者的當務(wù)之急。針對此標準要求，學者們先后提出了無源PFC與有源PFC兩種功率因數(shù)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價比的限制，雙級有源PFC電路由于成本高，元件數(shù)量多，對負載變化響應(yīng)速度慢，整機效率相對較低，其應(yīng)用受到一定限制。 為了克服這些缺陷，近年來，對于輸出功率小于250W 的變換器，單級無源PFC 成為較熱門的設(shè)計方案之一，主要方法是將無源功率因數(shù)校正與主功率反激變換器集成在一級變換中。它具有在實現(xiàn)輸出電壓快速調(diào)節(jié)的同時，不用增加功率開關(guān)器件數(shù)和控制電路就能提高功率因數(shù)的特點。但是以往的單級PFC 變換器可靠性不高，變壓器設(shè)計較為復(fù)雜，很難滿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(jié)構(gòu)，簡化設(shè)計，同時保證較高功率因數(shù)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足IEC61000-3-2 Class D的要求，從而能廣泛應(yīng)用于數(shù)字視頻產(chǎn)品電源設(shè)計中。給出它的原理分析并提出主要參數(shù)設(shè)計思路，實驗設(shè)計了一臺28V/6A 變換器樣機，結(jié)果表明，功率因數(shù)大于0.96，滿載工作效率大于86%，待機損耗小于1W。電路拓撲簡單可靠，適用于負載變化較大的數(shù)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，整流二極管才會導通，所以輸入電流只有在正負一小段時間內(nèi)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(shù)，減小諧波，改善輸入電流波形，可以引入充電泵作為無源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)過一定的設(shè)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 簡單充電泵電路 圖2 是一個簡單的充電泵電路圖。假設(shè)輸入電壓V1小于輸出電壓V2；二極管VD1和VD2以及電容C 組成一個充電泵電路。通過高頻率方波脈沖V3（頻率為f3）來控制充電泵，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，電壓V1 通過VD1 對電容C 充電，電荷  ，假設(shè)電容C 足夠小，電容很快就被充到V1。 （2）當V3 為高電平時，電容C 通過VD2 放電，此時  。根據(jù)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，同時輸入電壓V1 為工頻交流電通過整流橋的電壓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，從而實現(xiàn)功率因數(shù)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(jié)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(shù)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，鉗位開關(guān)管關(guān)斷電壓尖峰。圖4 是它的一個開關(guān)周期工作波形。由于開關(guān)管開關(guān)頻率遠大于輸入工頻頻率，所以在分析開關(guān)周期工作原理時，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(wěn)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時刻開關(guān)管VT 受TDA16846 的控制而導通，開關(guān)管漏源極電壓Vds由最大值 Vdsmax跳降到零， 同時通過電容C， 使電壓Vm由VP 跳變到-(Vdsmax-Vp)。在此開關(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 進行充電。初始條件為iL(0) =0 ,VC(0)=Vp-Vdsmax所以   圖4 開關(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 將線性增加，向變壓器傳送磁場能量。因為電壓Vm 低于大電容Cp 兩端電壓VP，二極管VD 截止。通過開關(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 ——開關(guān)管最大導通時間 工作模態(tài)2 [t2～t3] 在t 2時刻，開關(guān)管VT 開始被關(guān)斷，由于開關(guān)管寄生電容的存在，開關(guān)管兩端電壓將會線性上升到Vdsmax，同時電壓Vm 也線性上升到VP，電容C放電。 Vm=Vds+Vc（5） 在t3時刻Vm 等于VP，二極管VD 開始導通，電感電流L i 開始改為向電容CP 放電，這使電感L中的磁場能量轉(zhuǎn)移到電容CP 中。利用這個原理，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，實現(xiàn)充電泵功能，將輸入電流波形展寬，提高輸入功率因數(shù)。 工作模態(tài)3 [t3～t4] 到達t3 時，開關(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(zhuǎn)，二次側(cè)二極管VDS 開始導通，變壓器開始向二次側(cè)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時刻，開關(guān)管重新被開通，變換器進入下一開關(guān)周期。 參數(shù)設(shè)計 該變換器的主變壓器設(shè)計可以按照反勵變壓器設(shè)計。因為存在反向恢復(fù)效應(yīng)，輸入整流二極管和二極管VD 需要選擇快速恢復(fù)二極管，從而減小二極管反向恢復(fù)造成的開關(guān)損耗。以下將重點討論輸入電感L 和充電泵電容C 的設(shè)計。 輸入電感L 由變換器工作原理討論可知，流過輸入電感L的電流工作于DCM 模式，根據(jù)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——開關(guān)頻率，在20～50kHz 范圍內(nèi)變化，滿載時約為50kHz 所以  選擇PC40 ER28 作為電感的磁心， 其中 Ae=85.4mm2，Bm=0.25T所以電感線圈匝數(shù)N  在開關(guān)周期中，電感氣隙lg 可以根據(jù)下式求得  充電泵電容C 充電泵C 的設(shè)計涉及兩方面問題，一方面電容值的提高有利于提高功率因數(shù)；另一方面，根據(jù)公式（4），過高的電容值將會增加流過開關(guān)管的額定電流，所以需要綜合考慮。為了滿足工作模態(tài)1 的諧振條件要求，在滿載條件下，電容C 和電感L 諧振參數(shù)必須滿足下面的條件  其中Tonmax取為6μs，所以充電泵電容必須在4nF≤C≤15nF 范圍內(nèi)，這里取C=10nF。 實驗結(jié)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，在實驗室完成了一臺28V/6A 的實驗樣機，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，以下為實驗主要參數(shù)： 控制IC：TDA16846 開關(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，電容兩端電壓波形包絡(luò)線跟隨輸入電壓變化，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，共有三個工作模態(tài)。同時，由于充電泵電容C 的存在，由變壓器漏感引起的開關(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載條件下的測試波形；圖8 為各次諧波電流含量圖。實測結(jié)果表明，功率因數(shù)PF 為0.9688，THD 為23.2%，整機最大效率為87%。同時，因為TDA16846 具有變頻功能，在輕載時開關(guān)頻率降為20kHz，這樣有利提高變換器的待機損耗，實測待機損耗小于1W，這也是該變換器的另一個優(yōu)點。  圖6 電壓Vm 和開關(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(jié)論 本文將充電泵電路和反勵變換器有效地結(jié)合在一起，得到一種新型AC/DC 變換器，它具有較高功率因數(shù)校正，成本較低，效率高，同時兼有箝位電路功能的特點。170W 樣機實驗證明，該電路可靠性高，適用于負載變化較大的中小功率數(shù)字視頻供電電源中。 |
