单级功率因数校正PFC变换器的设计

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1、单级功率因数校正（PFC）变换器的设计李广全，王志强，张梅(华南理工大学电力学院，广东   广州   510640）　　1   引言   为了减少对交流电网的谐波污染，国际上推出了一些限制电流谐波的标准，如IEC1000-3-2标准，它要求开关电源必须采取措施降低电流谐波含量。   为了使输入电流谐波满足要求，必须加入功率因数校正（PFC）。目前应用得最广泛的是PFC级＋DC/DC级的两级方案，它们有各自的开关器件和控制电路。这种方案能够获得很好的性能，但其缺点是电路复杂，成本高。   在单级功率因数校正变换器[1]中，PFC级和DC/DC级共用一个

2、开关管和一套控制电路，在获得稳定输出的同时实现功率因数校正。这种方案具有电路简单，成本低的优点，适用于小功率场合。本文介绍一种单级PFC变换器的基本原理及其设计过程。2   单级PFC变换器   单级PFC变换器的原理图如图1所示，是一种基于脉宽调制（PWM）的变换器。变换器的PFC级采用Boost电感电路，而DC/DC级采用双管单端正激电路结构。图1   单级功率因数校正变换器的原理图   PWM集成芯片采用了UC3842，是一种电流型控制的专用芯片，具有电压调整率高，外围元器件少，工作频率高，启动电流小的特点。其输出驱动信号通过隔直电容，连接在驱

3、动变压器原边。驱动变压器副边采用双绕组结构，得到两路同相隔离的驱动信号，从而实现了DC/DC级的双管驱动。   变换器发生过流时，由电阻R9检测到开关管的过流信号，封锁UC3842的输出信号，实现过流保护。电压负反馈控制由电阻R12和R13获得输出电压信号。   变换器的工作原理简述如下：当变换器接通电源时，交流输入电压经过整流桥后的直流电压经电阻R17降压后，给UC3842提供启动电压；进入正常工作后，二次绕组N3提供UC3842的工作电压（12V）；二次绕组N2的高频电压经整流滤波，由TL431获得偏差信号，经光耦隔离后反馈到UC3842，去控制

4、开关管的开通与截止，实现稳压的目的；在一个开关周期Ts内，控制Boost电感工作在不连续导电模式（DCM）下，使得输入电流波形自然跟随输入电压波形，从而实现了功率因数校正。3   变换器的设计3.1   EMI滤波器的设计   EMI滤波器能有效抑制电网噪声，提高电子仪器，计算机和测控系统的抗干扰能力及可靠性[2]。单级PFC变换器的PFC级工作在不连续导电模式下，其输入电流波形为脉动三角波，因此，其前端需添加EMI滤波器以滤除高频纹波。   EMI滤波器电路如图1所示，包括共模扼流圈（亦称共模电感）和滤波电容。共模电感主要用来滤除共模干扰，其电感量

5、与EMI滤波器的额定电流有关。本文中的单级PFC变换器的额定电流为1A，取共模电感值为15mH。滤波电容C11和C13主要滤除串模干扰，容量大致为0.01～0.47μF。C14和C15跨接在输入端，并将电容器的中点接地，能有效抑制共模干扰，容量范围是2200pF～0.1μF。3.2   功率器件的选取   变换器的开关器件一般均选用功率场效应管（MOSFET），依据输入最高电压时输出最大电流的要求来确定其电压与电流等级，并预留有1.5～2倍的电压和2～3倍的电流裕量。在单管变换器中，开关器件的电压UCEO通常可按经验公式（1）选取   UCEO=  

6、 （1）式中：Udmax为漏源极的最大电压；     D为占空比。   开关器件的电流按高频变压器一次绕组的最大电流来确定。本文中，由于采用双管电路结构，每个开关管所承受的电压为UCEO的一半，故选用耐压500V，电流8A的IRF840。   变换器中PFC级的二极管选用了超快速恢复二极管，而DC/DC级整流输出端选用肖特基整流二极管，以减小二极管的压降。3.3   变换器电感的设计   在单级PFC变换器中，为了实现功率因数校正，通常控制PFC级的Boost电感工作在不连续导电模式；而为了提高变换器的效率，DC/DC级一般采用连续导电模式，在一个开

7、关周期内，通过L1和L2的电流如图2所示。图2   开关周期内通过L1和L2的电流   为了使得Boost电感工作于不连续导电模式下，有   <   （2）   f(D)=   （3）式中：RL为变换器的负载电阻；L1为Boost电感值；     Ts为变换器的开关周期；     D为占空比，            η为变换器的效率；     UC1为中间储能电容上的电压；     Uo为直流输出电压。   为了使得DC/DC级工作在连续导电模式下，有   >(1－D)   （4）式中：L2为DC/DC级的储能电感值。   在本文中，要求Ts=8.3

8、3μs，D=0.2，Uo=16V，RL=2.133Ω，UC1=380V。故选取L1=100μH，L2=20μ