基于MC33262的高功率因數(shù)AC/DC變換器研制

開(kāi)關(guān)電源由于其體積、重量和效率的優(yōu)勢(shì)正逐步取代線性電源,在各個(gè)領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用. 傳統(tǒng)的非控整流開(kāi)關(guān)電源,由于輸入阻抗呈容性,網(wǎng)側(cè)輸入電壓和輸入電流間存在較大相位差,輸入電流呈脈沖狀,嚴(yán)重非正弦,諧波分量很高,給電力系統(tǒng)帶來(lái)了嚴(yán)重污染,一般電網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)僅為0. 65 左右.國(guó)際電工委員會(huì)( IEC) 早在20 世紀(jì)90 年代初就制定了有關(guān)法規(guī),嚴(yán)格限定設(shè)備的功率因數(shù)必須接近于1. 在當(dāng)前大力倡導(dǎo)綠色電源的背景下,提高開(kāi)關(guān)電源的功率因數(shù)也已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)電源廠商的當(dāng)務(wù)之急.

文章對(duì)APFC 技術(shù)中的準(zhǔn)連續(xù)模式即峰值電流控制方式做了詳盡論述,采用MC33262 芯片設(shè)計(jì)了一種寬電壓輸入范圍、固定升壓輸出的150 WAC/DC 變換器. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該變換器能在95～255 V的寬電壓輸入范圍內(nèi)輸出穩(wěn)定的400 V 直流電壓,并使得功率因數(shù)達(dá)到0. 99 以上,總諧波畸變降低至6 %以下.

1APFC原理和MC33262 芯片介紹

APFC 技術(shù)按照電感電流是否連續(xù)可分為斷續(xù)(DCM) 和連續(xù)(CCM) 模式2 種. CCM 一般基于直流—直流升壓(BOOST) 變換器,尤其適合于大中功率容量. MC33262 功率因數(shù)補(bǔ)償控制芯片電流控制方式是CCM 中的峰值電流控制方式.

MC33262 芯片內(nèi)部含有自起動(dòng)定時(shí)器、一象限乘法器、誤差放大器、電流檢測(cè)比較器、零電流檢測(cè)器、圖騰柱驅(qū)動(dòng)輸出以及過(guò)壓、欠壓等保護(hù)電路,具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1 所示,圖中1～8 分別表示芯片引腳號(hào), V ref為參考電壓.

圖1 　MC33262 芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

利用一個(gè)無(wú)感采樣電阻檢測(cè)開(kāi)關(guān)管流過(guò)電流,將所得電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)一個(gè)內(nèi)置阻容(RC) 濾波電路送入零電流比較器. 該比較器電流基準(zhǔn)值由乘法器輸出供給. 乘法器有2 個(gè)輸入,一個(gè)是變換器輸出直流電壓(經(jīng)過(guò)分壓采樣) 與基準(zhǔn)電壓之間的誤差信號(hào);另一個(gè)為全波整流后輸出電壓經(jīng)過(guò)電阻分壓后的值. 因此電流基準(zhǔn)為雙半波正弦電壓,令電感電流的峰值包絡(luò)線跟蹤該輸入電壓的波形,使輸入電流與輸入電壓同相位,并接近正弦. 該閉環(huán)系統(tǒng)在保持輸入端功率因數(shù)接近1 的同時(shí),也能保證輸出電壓的穩(wěn)定.

當(dāng)輸出電壓上升時(shí),誤差放大器輸出電壓下降,使乘法器輸出的基值電流值下降,開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間縮短,流過(guò)電感的電流下降,從而使輸出電壓下降. 反之,使輸出電壓上升,以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的. 由于乘法器輸入取樣來(lái)自全橋整流的輸出,所以乘法器的輸出和全橋整流輸出電壓波形的相位相同,從而使電感電流的平均值和整流輸出電壓同相,達(dá)到功率因數(shù)補(bǔ)償之目的. MC33262 片內(nèi)還帶有RS 門(mén)鎖電路,它同時(shí)受電流檢測(cè)比較器、零電流檢測(cè)比較器和過(guò)電壓比較器3 個(gè)輸出的控制,并可以確保在同一時(shí)刻芯片的脈沖寬度調(diào)制( PWM) 信號(hào)輸出只有一種狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)出現(xiàn). MC33262 片內(nèi)還帶有欠電壓封鎖電路,當(dāng)輸入電源電壓降低至內(nèi)置8 V 參考電壓時(shí),封鎖PWM 脈沖輸出. MC33262片內(nèi)還帶有過(guò)電壓比較器,能在輸出端一旦出現(xiàn)過(guò)電壓時(shí)禁止芯片產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)輸出.

從控制角度上講,該APFC 電路同時(shí)引入了電壓和電流反饋構(gòu)成一個(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng),外環(huán)實(shí)現(xiàn)輸出電壓穩(wěn)定,內(nèi)環(huán)實(shí)現(xiàn)輸入電流整形使之成為與電壓同相位的標(biāo)準(zhǔn)正弦波.

圖2 所示為采用MC33262 PFC 控制芯片構(gòu)成的有源功率因數(shù)校正電路原理性框圖. 場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET) 的導(dǎo)通受控于MC33262 芯片內(nèi)的零電流檢測(cè)器,當(dāng)零電流檢測(cè)器中的電流降為零時(shí),MOSFET 導(dǎo)通,此時(shí)電感開(kāi)始儲(chǔ)能,電流增加. 這種零電流導(dǎo)通控制的突出優(yōu)點(diǎn)有:

圖2 　有源功率因數(shù)校正電路原理框圖

(1) 由于MOSFET 開(kāi)始導(dǎo)通時(shí)刻,儲(chǔ)能電感中電流為零,這樣MOSFET 開(kāi)關(guān)的應(yīng)力和損耗大大減小,同時(shí)降低了對(duì)后級(jí)整流二極管快恢復(fù)性的要求,因此選用普通的快恢復(fù)二極管即可滿足設(shè)計(jì)要求;另一方面免除了由于二極管恢復(fù)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)引起的開(kāi)關(guān)管損耗,也就大大增加了開(kāi)關(guān)管的可靠性.

(2) 由于開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)脈沖間無(wú)死區(qū),所以輸入電流是連續(xù)的并呈正弦波,這樣大大提高了系統(tǒng)的功率因數(shù).

2 　基于MC33262 的APFC電路結(jié)構(gòu)

2. 1輸入端保護(hù)及濾波電路分析

為避免交流輸入端外界產(chǎn)生的電壓尖峰對(duì)電源造成不利影響,采用金屬氧化物壓敏電阻并接在交流輸入端對(duì)瞬態(tài)電壓進(jìn)行抑制 . 同時(shí)采用負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻(NTC) 串聯(lián)在交流輸入端,用以增加對(duì)交流線路的阻抗, 把浪涌電流減小至安全值. 高頻開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)生的電磁干擾( EMI) 主要以傳導(dǎo)干擾和近場(chǎng)干擾為主. 共模干擾和差模干擾是傳導(dǎo)干擾的2 種基本模態(tài),EMI 濾波器是目前使用最廣泛,也是最有效的開(kāi)關(guān)電源傳導(dǎo)干擾抑制方法之一. EMI 濾波器不但要抑制差模干擾,也必須抑制共模干擾,它的基本電路可以參照?qǐng)D3.

交流輸入電路與電感L 和電容C 組成的低通濾波網(wǎng)絡(luò)相連,以抑制電網(wǎng)上來(lái)的電磁干擾,同時(shí)還對(duì)本身產(chǎn)生的電磁干擾有抑制作用,以保證電網(wǎng)不受污染. 圖3 中L1 為差模扼流線圈,L2 為共模扼流線圈,把串聯(lián)電感L1 分成2 部分串入相線和中線可盡量保證2 線的阻抗平衡,防止由于阻抗不平衡引起新的干擾. 共模扼流圈由2 個(gè)線圈對(duì)稱(chēng)繞制而成,其特點(diǎn)是對(duì)網(wǎng)側(cè)工頻電流呈現(xiàn)較低阻抗,但對(duì)流經(jīng)的高頻共模干擾而言,等效阻抗卻很高.

EMI 濾波電路中的電感器件串入電路中對(duì)工作狀態(tài)不加干涉,而對(duì)差模和共模干擾起到抑制作用,它的結(jié)構(gòu)是在1 只磁芯上繞制2 個(gè)相同繞組的線圈,工作時(shí)將這2 個(gè)線圈分別串接在電源上,當(dāng)工作電流接通時(shí),磁芯中的磁動(dòng)勢(shì)相互抵消,因而磁芯材料不受任何影響,不必?fù)?dān)心其磁飽和. 在這次研制過(guò)程中,采用頻率特性好,導(dǎo)磁率高的鐵氧體材料.在該研制過(guò)程中,采用電感和電容組成π型濾波器,使得輸出電壓更加平滑,交流分量更少,考慮到電感器件中經(jīng)常有較大的直流電流成分,因而電感器件的鐵芯采用具有高飽和磁通密度的鐵粉芯材料制成.

2. 2 　電路結(jié)構(gòu)及工作原理

基于MC33262PFC 控制芯片的AC/ DC 變換器電路結(jié)構(gòu)如圖3 所示. 圖中BD1 為整流橋,CY為干擾濾波電容,TR 為熱敏元件,ZD1 為穩(wěn)壓管,EC 為電解電容,VR 為壓敏元件, FUSE 為保險(xiǎn)絲,1～8分別表示芯片引腳號(hào).[!--empirenews.page--]

圖3 所示APFC 電路主要由控制器IC 芯片MC33262 、MOSFET 功率管Q1 、升壓電感器L4 、升壓二極管D2 、輸出濾波電容EC2 及反饋環(huán)路組成.APFC 變換器的工作原理基于升壓電感L4 的電流與電壓之間的物理關(guān)系. 在Q1 導(dǎo)通時(shí),升壓二極管D2 截止,濾波電容EC1 通過(guò)負(fù)載放電. 當(dāng)Q1 由導(dǎo)通躍變?yōu)殛P(guān)斷時(shí),L4 產(chǎn)生的突變電勢(shì)使D2 正向偏置導(dǎo)通,L4 中的儲(chǔ)能經(jīng)D2 釋放,對(duì)EC2 充電. 由于Q1 和D2 交替導(dǎo)通,使整流橋輸出電流經(jīng)L4 連續(xù)流動(dòng). 這就意味著整流二極管在交流電源的半個(gè)周期內(nèi),導(dǎo)通角趨于180°. 該電路采用雙環(huán)反饋控制方案. 內(nèi)環(huán)反饋的作用是將全波整流輸出直流脈動(dòng)電壓通過(guò)R003 和R004 組成的電阻分壓器取樣輸入到MC33262 第3 腳,以保證通過(guò)L4 的電流時(shí)刻跟蹤輸入電壓按正弦規(guī)律變化的軌跡. 通過(guò)L4 的三角形高頻電流的峰值包絡(luò)線正比于輸入交流電壓,其平均電流則呈正弦波形,這就意味著電源輸入電流也呈正弦波. 外環(huán)用作APFC 變換器輸出直流電壓的反饋控制. 直流輸出電壓通過(guò)R005 和R009組成的電阻分壓器取樣輸入到MC33262 的第1 腳,MC33262 輸出PWM 驅(qū)動(dòng)信號(hào)調(diào)節(jié)MOSFET 功率管的占空比,以使輸出電壓穩(wěn)定.

圖3 　APFC實(shí)驗(yàn)電路結(jié)構(gòu)圖

交流輸入電壓經(jīng)橋式整流,輸出100 Hz 的正弦半波直流脈動(dòng)電壓,能夠比較真實(shí)反映交流(AC) 輸入電壓波形的全波整流電壓,經(jīng)過(guò)電阻分壓器分壓、小電容C004 濾除高頻噪聲輸入到芯片內(nèi)部的乘法器. 濾波電容EC2 兩端直流電壓通過(guò)R005 和R009分壓輸入到芯片內(nèi)部誤差放大器的反相端,并與誤差放大器同相端精密參考電壓V ref比較,產(chǎn)生一個(gè)直流(DC) 誤差電壓,作為一象限乘法器的另一路輸入. 當(dāng)AC 輸入電壓從零按正弦規(guī)律變化到峰值時(shí),乘法器的輸出控制電流傳感比較器的門(mén)限,迫使通過(guò)MOSFET 功率管Q1 的峰值電流跟蹤AC 輸入電壓的變化軌跡. 流過(guò)MOSFET 功率管Q1 的電流在電阻R010 上轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),輸入到芯片第4 腳,經(jīng)過(guò)芯片內(nèi)置阻容( RC) 低通濾波器, 輸入到MC33262 芯片內(nèi)電流檢測(cè)比較器的正向輸入端. 電感L4 電流的波形呈高頻鋸齒三角波,在電流值從零增長(zhǎng)到峰值的過(guò)程中,Q1 是導(dǎo)通的. 乘法器的輸出則是電感峰值電流的參考電壓,只要在R011 上的傳感電壓超過(guò)電流檢測(cè)比較器的門(mén)限電壓,片內(nèi)邏輯電路動(dòng)作,輸出MOSFET 功率管關(guān)斷信號(hào). 升壓電感L4 的副邊繞組Ns 將感應(yīng)電壓經(jīng)D1 整流EC1 濾波,作為MC33262 芯片啟動(dòng)后的輔助電源;Ns 還用做L4 的高靈敏度的電流傳感器. Ns 將流過(guò)L4 的電流檢測(cè)后,經(jīng)限流電阻R007 輸入到片內(nèi)零電流檢測(cè)器,只要電感電流一降至芯片所設(shè)置的“零”電平, 零電流檢測(cè)器則通過(guò)置位門(mén)鎖驅(qū)動(dòng)MOSFET 導(dǎo)通.

升壓電感器L4 選用鐵氧體材料鐵芯和李氏漆包線繞制,原副邊線圈匝數(shù)比為60/ 6. 原邊Np 繞組的電感為580μH ,副邊Ns 是輔助電源及零電流檢測(cè)繞組.

3 　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示該AC/ DC 變換器在較寬廣的輸入電壓范圍下獲得高度穩(wěn)定的直流電壓400 V 輸出,紋波峰峰值在8 V 以下,輸出額定功率達(dá)150W ,滿載下效率η= 95 % ,功率因數(shù)λ≥0. 99 ,輸入電流總諧波畸變D < 6 %. 圖4 和圖5 所示記錄了芯片3 腳的采樣輸入電壓、交流輸入電流波形. 圖6 所示為MOSFET 上源極電阻上的采樣電壓波形,它反映了流經(jīng)MOSFET 上的電流波形,即電感儲(chǔ)能階段電感電流波形. 可看出由于MOSFET 開(kāi)關(guān)頻率很高(將近70 kHz) ,在開(kāi)關(guān)關(guān)斷過(guò)程中源極電阻上有較強(qiáng)的干擾電流流過(guò),示波器記錄波形上出現(xiàn)不少尖峰毛刺. MC33262 芯片內(nèi)已預(yù)先設(shè)置了RC濾波器對(duì)該信號(hào)做濾波處理,不過(guò)一般可在4 腳與源極電阻間考慮再增添一外部RC 濾波電路,增強(qiáng)抗干擾效果.

圖4 　芯片3 腳電壓采樣輸入波形

圖5 　輸入電流電阻采樣波形

圖6 　MOSFET上導(dǎo)通電流電阻采樣波形

4 　結(jié)語(yǔ)

由MC33262 構(gòu)成的功率因數(shù)校正電路外圍結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,電路元器件少,電路的體積和成本下降,提高了系統(tǒng)的可靠性. 目前這種APFC 技術(shù)已經(jīng)在開(kāi)關(guān)電源、電子鎮(zhèn)流器等諸多領(lǐng)域得到了應(yīng)用. 該APFC 電路采用峰值電流控制方式,屬于準(zhǔn)連續(xù)電流模式,MOSFET 開(kāi)關(guān)頻率很高,這對(duì)EMI 濾波電路的設(shè)計(jì)有較高的要求. 不過(guò)該系列芯片與其他采用連續(xù)模式的APFC 芯片相比有著較高的性價(jià)比,值得作進(jìn)一步完善研究.