Topswitch在PFC中的應用

     功率因數校正(PFC)技術能夠實現各種電源裝置電網側電流正弦化,使電網資源得到充分利用,基本上消除負載與電網?負載與負載之間的高次諧波污染,凈化電網?單相PFC已進入實用階段,其實現方式多種多樣,較為常見的有用UC3854為控制IC設計的3kW以下的PFC電路,但該電路較為復雜,外圍元件多,特別是小功率器件的應用?本節介紹用TOPS-itch設計的功率在150W以下的簡捷PFC電路設計?

     1. Topswitch在PFC中應用的設計原理

     Topswitch為三端脈寬調制(PWM)開關,在實現相同功能?外圍元件最少的前提下,Topswitch具有開關電源所有必需的功能,且內含功率MOSFET?PWM控制器?內啟動電路?環路補償和熱關斷電路,使電源電路得以進一步簡化,縮短設計時間?Topswitch的設計除具有上述最大優點外,其設計的電源電路還可保證得到較高的電源效率

   圖5-42為一個簡單的應用Topswitch設計的升壓型PFC電路?其工作頻率為10kHz,遠高于電網頻率,通過電源濾波器在電網側可以實現正弦輸入電流波形,并且與輸入電壓的波形同相?這個電路在提升電感上產生的波形示意圖如圖5-43所示?虛線為經過電原濾波器在電網側出現的電流波形?該波形就是開關管工作在電流斷續狀態下產生的?提升電感?Topswitch和二極管上的電流IL?Ir?ID如圖5-44所示?在這個電路中,=Ir+ID,l1的電流波形即為Ir和ID電流波形的簡單疊加?圖5-45為實際測試的波形?從圖中可以看出,在固定周期的情況下,它的電流與正弦電流相差較大,經過補償后的輸入電流實際測試波形如圖5-46所示?總諧波失真(THD)不超過18%,功率因數(PF)為0.978?

   預補償原理

     如圖5-47所示,在一個開關周期內,I1平均值不隨整流后電壓瞬時值線性變化,即輸入電壓瞬時值上升后,平均值上升更快?經過電源濾波后,產生如圖5-45所示的非正弦波形?為了使電流波形進一步正弦化,可以采用預補償方式,即采用恒頻非恒占空比的控制方式

     產生這種結果的原因是:在Topswitch的整個工作過程中,提升電感上的電流是TOPSwitch上電流和提升二極管電流的代數和(見公式I1=I+ID), Topswitch上的電流隨著整流后的輸入電壓呈線性關系,平滑后是正弦電流?可是提升二極管上的電流隨著輸入電壓的升高而迅速上升,呈非線性關系,平滑后不是正弦電流?這樣疊加的結果使提升電感上的電流就不是正弦的?

    因為提升二極管上的電流不受控,所以要想改善提升電感上電流波形,就只能通過控制IC改善Topswitch的電流波形,使Topswitch上的波形不是一個正弦波,以此來補償提升二極管不是正弦波的缺陷?這個問題是很多無乘法器的控制IC在Boost電路中普遍存在的問題,這些都可以通過預補償的方式得以改善?改善的關鍵就是選擇合適的預補償電阻?

     在輸入高電壓時減小Ir的占空比,這樣使得I1的波形就不再如5-45所示?經過補償的電流波形如圖5-47所示,這樣IL的波形已經近似于正弦波,電路原理圖如圖5-48所示,通過預補償電阻R1和直接輸出電壓檢測電路控制流入Topswitch控制腳的電流,使Topswitch

     的調制方式變成恒頻非恒占空比的方式,達到較為理想的PFC?占空比與瞬時輸入電壓呈線性關系, Topswitch具有電流線性控制占空比變換器,當流入Topswitch控制引腳的電流在2.0~6.0mA范圍內增大時, Topswitch的占空比將從67%下降到1.7%,所以通過預補償電阻控制部分Topswitch控制引腳的電流來控制占空比?預補償電阻的選擇是很重要的(后文對預補償電阻的選擇有論述)?當整流后的電壓最低時, Topswitch的控制引腳通過預補償電阻R1泄放電流,使流入控制引腳的電流減小,這時Topswitch的占空比最大?

    隨著整流后的輸入電壓的增高,流入Topswitch控制引腳的電流也將逐漸增加, Topswitch的占空比逐漸減小?當輸入電壓達到最高時, Topswitch的占空比最小,這就完成了恒頻非恒占空比的控制方式?在圖5-47中可以看出,預補償以后,由于Topswitch上的電流減小了,提升電感上的電流三角形的面積小于預補償以前的,電流的平均值也就減小了,平滑后的電流波形也就接近正弦波形了,如圖5-49所示?占空比隨著瞬時輸入電壓的變化而變化?這時THD<7%,PF為0.98?