基于L4981B的APFC電路設(shè)計(jì)性能優(yōu)化

O 引 言
    電源是每一個電子設(shè)備所必須的重要組成部分。按照國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)IEC 61000—3—2的要求，電子設(shè)備輸入電流中諧波電流成分都有一定的限值，小功率電源可以使用簡單的無源功率因數(shù)校正，即可獲得有效的抑制，而大功率電源則普遍使用有源功率因數(shù)校正控制器。作為在較大功率電源中普遍使用的基于L4891B設(shè)計(jì)的APFC已有諸多介紹，但在實(shí)際電源設(shè)備的使用過程中，由于工作環(huán)境和使用要求的不同往往會出現(xiàn)這樣或那樣的問題，而限制和影響了它的廣泛使用。鑒于此，針對在此過程中出現(xiàn)的諸多問題進(jìn)行了深入分析和探討，并提出了一些切實(shí)可行的有效解決方案。

1 如何提高效率
    現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展要求電器設(shè)備，既要小巧，又要高效，還要求輸入電壓具有更廣泛的通用性。一個完整的Boost APFC包括全波整流和升壓型DC—DC轉(zhuǎn)換，這種配置的APFC具有許多優(yōu)點(diǎn)：連續(xù)輸入電流和容易提高功率因數(shù)。升壓型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過限制輸入電壓也可以獲得很高的效率，但當(dāng)輸入電壓范圍變寬后，要維持同樣的高效率就變得有些困難。
    為此在實(shí)際的應(yīng)用產(chǎn)品中，采用電路簡單、可靠性較高的3種方法：一是減小半導(dǎo)體二極管的反向恢復(fù)損耗；二是用IGBT代替MOSFET，以減小開通損耗；再就是減小交流損耗。
    首先，選用一種SiC肖特基二極管，它具有高的溫度特性(最高允許工作溫度達(dá)到300℃)，高的反向耐壓，低的導(dǎo)通電阻和高的開關(guān)頻率等。以上特點(diǎn)使得開關(guān)器件體積縮小，開關(guān)頻率的提高也使得。Boost APFC的體積進(jìn)一步減小。同時它還具有正的溫度系數(shù)，便于在大電流時采用多個二極管并聯(lián)使用，不會造成二極管之間的電流出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象。再有這種二極管的反向恢復(fù)時間及反向電流都非常小，并且有非常好的溫度特性，其反向恢復(fù)時間不會隨著溫度升高而變化。用它就會減小開關(guān)管導(dǎo)通時的開關(guān)損耗，從而提高效率。
    其次，用IGBT代替MOsFET，一個主要的原因是：MOSFET開關(guān)在低輸入電壓時，由于導(dǎo)通器件的漏源極間為導(dǎo)通電阻，使得其導(dǎo)通損耗快速增加，即隨著電流的增大而與電流的平方成正比。而IGBT則是集射極間的幾乎是相同的電壓飽和壓降，因此，其導(dǎo)通損耗相對增加較慢，只與輸入電流成線性關(guān)系。這就減小了在寬范圍輸入電壓下的損耗，提高了系統(tǒng)效率。
    最后，減小交流損耗，交流損耗的產(chǎn)生主要由電感的紋波電流造成的。絕大部分的損耗來自于磁心本身，并且嚴(yán)重依賴于磁心材料本身，為此采用非晶鐵心材料饒制的電感，因?yàn)樗哂袃?yōu)良的恒電感特性和抗直流偏磁能力，且損耗小。不過成本較貴，但對提高Boost APFC效率效果明顯。
    經(jīng)過調(diào)整后帶整流橋的Boost APFC的輸入功率與效率的關(guān)系，如下圖1所示。

2 如何提高穩(wěn)定性
    平均電流控制技術(shù)是在峰值電流控制技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。在這種控制方式中，乘法器與比較器之間增加了一個電流調(diào)節(jié)器。該電流調(diào)節(jié)器控制輸入電流的平均值，使其與編程信號波形相同，由于電流環(huán)具有較高的增益帶寬，跟蹤誤差小，因此瞬態(tài)特性較好。是目前應(yīng)用最廣泛的一種控制技術(shù)。
    這種技術(shù)的電壓環(huán)帶寬控制在20 Hz以下，電流環(huán)則要求足夠快以滿足不失真和低諧波的要求。事實(shí)是，在實(shí)際產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過程中，經(jīng)由理論分析設(shè)計(jì)的電路在帶阻性負(fù)載或者交流變頻壓縮機(jī)測試時，工作一切正常。但當(dāng)帶直流變頻壓縮機(jī)這類感性負(fù)載工作時，就出現(xiàn)新的不穩(wěn)定現(xiàn)象見圖2，即遇到雙周期分叉現(xiàn)象。

由于在整個設(shè)計(jì)過程中，存在許多理想假設(shè)，例如：假設(shè)變換器的輸出紋波很??；假設(shè)當(dāng)通過較大輸出電容時可被忽略，而大電容因其成本高，體積大，在實(shí)際中使用中并沒有那么大；假設(shè)用輸入電壓有效值代替時變值，忽略其時變的影響等。另外由于PFC的固有屬性，PFC動態(tài)環(huán)路總是用低帶寬進(jìn)行補(bǔ)償，目的是不對頻率2xfL的紋波產(chǎn)生響應(yīng)，這里fL指交流電源線的頻率。因此，當(dāng)負(fù)載突變時，調(diào)整電路不能做出快速響應(yīng)，從而引起輸出電壓波動過大。而穩(wěn)定系統(tǒng)自身可以調(diào)節(jié)擾動，使其重新進(jìn)入穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)；不穩(wěn)定系統(tǒng)無法控制擾動，從而進(jìn)入不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。結(jié)果出現(xiàn)上述的雙周期現(xiàn)象。
    變換器輸出電容上的電壓是由輸入功率與輸出功率的差所形成的，輸入功率由乘法器的輸出電流控制，而乘法器的輸出電流又由前饋電流環(huán)及反饋電壓環(huán)共同決定。電壓前饋可用于補(bǔ)償輸入電壓引起的增益變化，提高回路的穩(wěn)定性和對交流電壓瞬變的瞬間響應(yīng)性。同時，應(yīng)有盡可能高的穿越頻率，以實(shí)現(xiàn)快速跟蹤性能。應(yīng)有足夠的穩(wěn)定裕量，使系統(tǒng)有強(qiáng)的魯棒性。
    為了解決這個問題，在芯片的外圍設(shè)計(jì)中采用了增強(qiáng)動態(tài)響應(yīng)功能。使用高紋波、低等效串聯(lián)電阻(ESR)的電容，重新設(shè)計(jì)和調(diào)整電壓環(huán)、電流環(huán)網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，反復(fù)試驗(yàn)，最后得出結(jié)論。即：仔細(xì)調(diào)節(jié)輸出電壓誤差放大器的輸出，使設(shè)計(jì)的電流環(huán)的瞬變跟蹤特性變強(qiáng)，變換器在大電流和感性或阻性負(fù)載的情況下，皆具有更好的穩(wěn)定輸出電壓的能力，消除了雙周期現(xiàn)象的發(fā)生。功率因數(shù)與其他性能指標(biāo)正常，未有不良結(jié)果產(chǎn)生，達(dá)到了預(yù)期的目的。

3 如何提高電磁兼容性
    電磁兼容性是指在同一電磁環(huán)境中，設(shè)備能夠不因?yàn)槠渌O(shè)備的影響正常工作，同時也不對其他設(shè)備產(chǎn)生影響工作的干擾。正基于此，干擾造成的原因有內(nèi)外2種，內(nèi)部干擾主要是主電路開關(guān)過程對控制電路及外部電路造成的影響，外部干擾是電網(wǎng)的紋波和周圍用電設(shè)備對Boost PFC造成的干擾。針對干擾產(chǎn)生的3要素即干擾源、耦合途徑和敏感的接收設(shè)備，采用了以下措施：
    (1)合理的布局和布線。干擾強(qiáng)度是隨著導(dǎo)線和干擾源距離的平方而減小。所以，在電路元件的布局和布線上，盡量使交流輸入和直流輸出分開并遠(yuǎn)離。布線要嚴(yán)格分開，簡化電流通路的途徑，減少相互交叉干擾。
    (2)主電路和控制電路本身抗干擾措施。在主電路方面，單相整流橋輸入和輸出端都應(yīng)接高頻電容，以阻斷電網(wǎng)的高頻干擾?？刂齐娐沸酒膮⒖蓟鶞?zhǔn)電壓要穩(wěn)定，也應(yīng)接一個高頻去耦電容到地。[!--empirenews.page--]
    此外，振蕩器定時電容到地的引線要盡可能短。開關(guān)管的驅(qū)動輸入端到控制芯片的輸出連線要盡可能短，以減小外界的雜散干擾。盡可能減小IGBT和FRD二極管連線的阻抗，即減小長度，增加寬度。還有，IGBT與平滑電容之間的配線距離盡可能短。整個系統(tǒng)的強(qiáng)電部分要遵循進(jìn)出有序的原則，不能來回走線。 Boost PFC控制器的輸出電容也要并聯(lián)一個小的高壓電容，濾除高頻雜波。還有要減少芯片供電電源的干擾，例如可在電源輸出端接一高頻去耦電容到地，這樣就可以提高供電電源的品質(zhì)。降低外界干擾和內(nèi)部的相互影響，提高系統(tǒng)的電磁兼容性設(shè)計(jì)水平。
    使用L4981B的這種平均電流的升壓型模式制作的功率因數(shù)校正電路，輸入電流連續(xù)。并且在BoostPFC開關(guān)瞬間輸入電流小，這本身就易于電磁干擾濾波。
    原則1：減少PFC電路自身產(chǎn)生的干擾控制開關(guān)管的開關(guān)速度(dv／dt)；減小高di／dt通路的寄生電感，避免電路中產(chǎn)生不必要的諧振；降低開關(guān)頻率。
    原則2：盡量阻止干擾傳遞到外界減少高dv／dt節(jié)點(diǎn)(例如：IGBT的集電極)與外界的電容耦合；減小高di／dt通路形成的回路面積，避免天線效應(yīng)；增加電源輸入端的濾波。
    散熱片的接法：散熱片盡量與地?cái)嚅_，APFC的散熱片應(yīng)該和APFC電路的冷點(diǎn)之間有低阻抗的交流通路，該通路可以通過直接連接或者串聯(lián)一個幾nF的Y電容。Y電容的取值應(yīng)考慮電路中dv／dt器件與散熱片之間的寄生電容，如果電Y電容比寄生電容大n倍，通過散熱片耦合到外界的共模干擾也將減小n倍。
    APFC電感對電磁兼容的影響：在電感與開關(guān)管相連一端的導(dǎo)線，應(yīng)盡量靠近PFC電路的地方，串聯(lián)1個磁環(huán)；盡量使用環(huán)形的電感材料以減少漏磁。
    控制芯片L4981B所特有的頻率抖動的調(diào)制方式，使得原本單一的開關(guān)信號頻率在某個范圍抖動，形成連續(xù)的頻譜，最終降低頻譜峰值，減小電磁干擾。
    開關(guān)頻率抖動控制方法通過調(diào)整抖動開關(guān)頻率，把集中在開關(guān)頻率及其諧波上的能量分散到它們周圍的變頻帶上(見圖3)，由此降低各個頻點(diǎn)上的電磁干擾幅值，以達(dá)到低于電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。

這種方法雖然不能使總的干擾能量降低，但它把干擾能量分散到較寬的頻帶，從而使Boost PFC更容易達(dá)到低于電磁干擾標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值。
    從實(shí)際意義上講，干擾能量被分散在一定頻帶帶寬內(nèi)，與能量集中的點(diǎn)頻脈沖干擾相比，電磁干擾對環(huán)境的危害有所降低。頻率抖動控制在改變頻率的同時，不會對占空比產(chǎn)生影響，也就不會影響輸出電壓。
    試驗(yàn)表明，頻率抖動控制通過把集中在開關(guān)頻率及其倍數(shù)頻率點(diǎn)上的干擾能量分散到其附近的頻帶上，使得最大干擾幅值及其他諧波點(diǎn)幅值都得到明顯降低；同時該控制方法保持輸出電壓不變，對輸出電壓的電磁干擾也同樣起到了抑制作用。

4 如何實(shí)現(xiàn)電路保護(hù)
    有些保護(hù)是芯片本身就帶有的，例如：輸入欠壓保護(hù)、輸入過流保護(hù)、輸出過壓保護(hù)等。這只要按照芯片的功能，對電路進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)，進(jìn)行參數(shù)配置即可，這里就不再詳述。而有些保護(hù)是芯片本身沒有的，而又是系統(tǒng)所必須的，這樣就必須根據(jù)具體情況進(jìn)行具體分析，設(shè)計(jì)出適合系統(tǒng)所需要的保護(hù)電路，即故障保護(hù)電路，也即輸出電壓出現(xiàn)低電壓時，確保后面的變頻系統(tǒng)能夠迅速響應(yīng)，以免造成不必要的損失。此設(shè)計(jì)采用的是如圖4所示的設(shè)計(jì)方法。

圖4中fault為通過電阻分壓后的待測電壓。該設(shè)計(jì)巧妙地利用了低成本可調(diào)分流基準(zhǔn)源TL431的基準(zhǔn)電壓特性，和外圍元件組成的具有溫度補(bǔ)償門限的單電源比較器。具體原理為：在參考端加上一個可變電壓后，會在陰極與陽極之間輸出高+15 V或低+2．5 V電平的電壓，再通過發(fā)光二極管與二極管的降壓作用到光耦等器件上，在FAULT輸出高低電平，反饋回主控制器，從而起到故障檢測的作用。這種電路的優(yōu)點(diǎn)在于，電路成本低，且簡單可靠。在試驗(yàn)中，性能表現(xiàn)良好。
    另外，為防止上電過程中的瞬間大電流損壞PFC中的二極管，必須在電源輸入端設(shè)有浪涌保護(hù)電路，例如，PTC電阻加繼電器。這樣確保了輸入電流的最大瞬時值在可控的范圍內(nèi)，不致對電路造成損害。

5 如何提高性價比、可靠性和電氣安規(guī)要求
    元器件數(shù)量的減少，線路設(shè)計(jì)的簡單化，都使得整個系統(tǒng)的性能價格比提高，而且電路中的升壓電感L還能阻止快速的電壓、電流瞬變，提高了整個電路工作的可靠性。
    近年來經(jīng)濟(jì)科技的高速發(fā)展，使得對各類電器設(shè)備功率因數(shù)的要求越來越高，提高功率因數(shù)校正電路的性能成了一個既有理論價值有又現(xiàn)實(shí)意義的課題。提高是無止境的，隨著電力電子技術(shù)和相關(guān)學(xué)科的發(fā)展，提高APFC性能的方法必將越來越多。
    作為I類設(shè)備，應(yīng)滿足基本絕緣和接地的要求。這就要求：
    首先，接地良好，滿足接地點(diǎn)的電位差要求，要用防脫落墊圈，接地線要足夠粗，滿足接地連續(xù)性要求，同時在接地端要有接地符號，在上電的時候，先于電源線L，N接通，在斷電的時候，后于電源線L，N斷開。
    其次，電源初級強(qiáng)電部分與次級弱電部分的電氣間隙和爬電距離要滿足電源電壓或／和變壓器等相關(guān)初、次級間器件電壓的要求，這里面包括：開關(guān)電源的變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，跨接在電源強(qiáng)電部分與次級弱電部分的光耦的內(nèi)部和外部的電氣間隙和爬電距離符合要求，跨接電容采用Y1電容，工作電壓要滿足要求，并通過相應(yīng)的安全認(rèn)證，還有電源初、次級間還得滿足相應(yīng)高電壓的耐壓的要求。
    再次，裝置內(nèi)部的電源初級強(qiáng)電與次級弱電部分之間的連線的布局要符合安規(guī)的要求。做到初、次級間的連接線不能相互接觸或交叉，而應(yīng)當(dāng)采用各自不同的回路，同時要確保它們之間滿足安規(guī)中所要求的雙重絕緣或加強(qiáng)絕緣等，這樣既有利于達(dá)到安規(guī)的相關(guān)要求，對電磁干擾的抑制也有正面的影響，也是有益無害的。
    最后，在與其他電路的配合上，也要遵循同樣的要求。要考慮全局而不是局部的要求，這樣才能事半而功倍。

6 結(jié) 語
    通過對使用L4981B設(shè)計(jì)的平均電流模式的有源功率因數(shù)校正控制器的改進(jìn)和完善，電路的性能更加穩(wěn)定，使用范圍也得到了進(jìn)一步的拓展，達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)即由研制性樣機(jī)到實(shí)際生產(chǎn)使用樣機(jī)的轉(zhuǎn)變。實(shí)踐證明以上方法不僅有效而且切實(shí)可行，真正實(shí)現(xiàn)了有源功率因數(shù)校正電路的總體性能優(yōu)化。這對于采用其他類似芯片設(shè)計(jì)的有源功率因數(shù)校正電路的性能提高也有一定的參考作用。