恒导通时间控制的降压型高效率PFC研究.doc

恒导通时间控制的降压型高效率PFC研究杨剑友 吴新科 张军明 钱照明（浙江大学，浙江 杭州 310027）摘要：在宽范围输入的AC/DC适配器应用场合，同传统的Boost PFC相比，Buck型功率因数校正电路能够在整个输入电压范围内保持一个较高的效率1。本文提出了一种工作在临界导通模式的恒导通时间型Buck功率因数校正电路，能够实现主开关的零电压（ZVS）开通。全文分析了电路的工作原理，并给出了实现高效率、低谐波电流的设计方法。同时根据所述的设计原则构建100瓦的Buck功率因数校正器，其输入电流谐波满足IEC61000-3-2（Class D）标准，在整个输入电压范围内（90Vac265Vac）效率均在96.5%以上。关键词：功率因数校正；Buck；临界模式；恒导通时间控制A High Efficiency Step-down PFC with constant on time controlJianyou Yang, Xinke Wu, Junming Zhang and Zhaoming Qian（Zhejiang University, Hangzhou, 310027, China ）Abstract: In universal voltage input application, the buck PFC can achieve high efficiency in the entire universal input voltage range compare to boost PFC1. A critical conduction mode (CRM) ZVS buck converter with constant on-time control is proposed in this paper. This paper analyses the operation principle of the circuit and the design methodology and criteria for high efficiency and low harmonics of the CRM buck AC-DC converter are presented. A 100-W prototype designed according to the proposed design criteria shows that the input current harmonics meet the IEC61000-3-2 (Class D) standard and the efficiency is higher than 0.965 during the universal input range.Keywords：Power Factor Correction; Buck; CRM; Constant-on time control1 引言由于目前大多数用电设备中的非线性元件和储能元件的存在会使输入交流电流波形发生严重畸变，网侧输入功率因数很低，为了满足国际标准IEC61000-3-2的谐波要求2，必须在这些用电设备中加入功率因数校正电路（Power Factor Correction-PFC）。传统的有源PFC电路一般用Boost拓扑，这是因为Boost电路具有控制容易、驱动简单并且理论上实现输入电流可以完全跟踪输入电压。但是Boost电路具有输出电压高的缺点，而且在宽范围输入（90Vac-265Vac）条件下，在低电压输入时效率会比高压输入时下降1.5%-2%。在小功率AC/DC应用场合(150W)，降压（Buck）拓扑能够在整个输入电压范围内保持较高效率。更重要的时，由于AC/DC适配器应用中的散热设计都是根据效率最低点来设计的，因此boost功率因数校正器在输入低压时的低效率，成为严重制约适配器的功率密度和效率提高的瓶颈。而Buck拓扑应用在AC/DC时效率不会随输入电压有很大的变化，因此热设计也相对简单，能够实现高的功率密度。采用Buck电路作为功率因数校正器在文献3-5中已经被提出，文献中所采用的控制方法都为定频率PWM控制。文献1中提出的是电流箝位Buck（clamped-current buck,CCB），其工作原理为普通的峰值电流控制方式加上变斜率的斜波补偿实现。但是在电压峰值附近处电流会处于连续工作状态，造成二极管的反向恢复损耗，而且输入电流的功率因数很难在全电压输入范围内都保持在0.9以上。本文中所述的Buck PFC采用恒导通时间法的临界模式控制（Critical ModeCRM），使Buck电感电流下降到零时开通开关管，每个周期导通时间恒定，由于其没有二极管的反向恢复问题，同时在开关管开通前漏源极电压通过结电容与电感的谐振，实现零电压开通，其效率较高。2 Buck PFC分析与优化设计2.1 恒定导通时间Buck PFC的控制原理图1所示为临界模式Buck PFC的系统框图，当过零检测电路检测到电感电流下降到零时开通开关管，此时比较器的正端锯齿波信号开始上升，当锯齿波信号达到运放的输出电压VEAO的时候，比较器输出高电平，开关管关断。由于锯齿波的上升斜率是恒定的，VEAO在一个工频周期内可以视为固定值，这样就可以实现了开关管开通时间恒定，关断时间由电感电流下降到零的时间决定。图1 临界模式Buck PFC的系统框图2.2 输入电流分析由于Buck PFC只有在输入电压高于输出电压才有电流输入，根据Buck PFC的工作原理，可以得到输入电压电流波形如图2所示：图2 临界模式buck PFC的输入电压电流波形由图可以推导出Buck PFC输入电流的表达式为：（1） 图3所示为计算得到的115Vac与230Vac输入情况下100W，90V输出时输入电流波形图：图3 计算得到的输入电流波形图对输入电流表达式做傅里叶分析，得到k次谐波电流的有效值为：（2）输入电流的功率因数（PF）与谐波总失真（THD）为： （3） （4）2.3 输出电压设计由式（3）可以计算出不同输出电压情况下输入电流PF值，图4所示为输入电压在115Vac情况下输入电流PF随输出电压Vo的变化曲线：图4 输入电流PF随输出电压Vo的变化曲线由图4可知，输出电压越高，则输入电流死区时间越大，PF越低，为了满足“能源之星”中关于115Vac输入情况下要求PF大于0.9的要求，一般需要设定输出电压小于100V。同时由式（2）可以计算buck PFC的输入电流在不同输出电压情况下的谐波含量。图5所示为输入电流各次谐波随输出电压变化的三维图，其中在输出电压小于100V的条件下，均可以满足Class D的标准。图5 Buck PFC各次谐波随着输出电压的三维图2.4 Buck 电感设计Buck电感的大小决定开关管的导通时间与关断时间，进而决定开关管工作频率。Buck PFC开关管的最低频率出现在90Vac输入时的电压峰值处，满载的情况下应该保证使最低开关频率大于音频上限（20kHz）。同时开关频率也不能太高，否则开关损耗以及电感的磁损会很大，影响总体效率。一般而言，最低频率应该设置在25kHz到40kHz能够获得一个较优化的全范围输入效率。当输入电压大于输出电压时，由前面的分析不难推导出开关管在一个工频周期内的工作频率为： （5）由式（5）可以得到所需要电感量的表达式为: （6）其中， （7）假设最低开关频率设定为25kHz，输出电压设定在90V，由式（6）可以求得。由公式(5)可以计算得到在Lp=150uH,VO=90V，Po=100W情况下Buck电路开关管工作频率在一个工频周期内的频率变化曲线如图6所示。图6 不同输入电压下的Buck PFC开关管工作频率变化曲线3 实验验证为了验证临界模式Buck PFC的工作原理，根据前文所述的设计准则研制了一台100W的实验样机。样机的参数为：输入电压Vin=90Vac265Vac；输出电压为90V；Buck电感选用150uH。测量得到的Buck PFC在低压端（115Vac）与高压端（230Vac）的输入电压电流波形如图7所示： t(2ms/格) t(2ms/格)（a）低压端（115Vac） （b）高压端（230Vac）图7 Buck PFC输入电压电流波形测量得到的Buck电路开关管驱动Vgs与漏源电压Vds波形如图8所示。由图可知在115Vac输入时开关管漏源电压Vds能够谐振到零后开通，实现了全范围零电压开通，230Vac输入时由于峰值附近输入电压大于两倍的输出电压，Vds不能谐振到零，但能实现漏源电压的谷底开通。 t(5us/格) t(5us/格)（a）低压端（115Vac） （b）高压端（230Vac）图8 Buck PFC Vgs与Vds波形图9为实验样机测量得到的输入电流谐波含量与根据式（2）计算得到的理论电流谐波值。由图可知理论计算值与测量值基本相符，由于PFC的输入滤波电容会使输入电流超前于输入电压，而这部分的影响没有在前面的分析计算中考虑。图中所示在230Vac输入下，理论值与测量值均满足Class D的谐波要求。 图9 230Vac输入情况下Buck PFC的各次谐波电流测量值图10，11为实验样机测得的Buck PFC输出电压设定在不同值（80V，90V，100V）时的效率曲线与功率因数曲线。由图可知，在90V输出时，Buck PFC的效率最高，整个输入范围内均达到96.5%以上。功率因数值随着输出电压的升高而降低，与理论分析相符。因此将Buck PFC输出电压设定在90V左右是一个比较优化的选择。图 10 Buck PFC不同输出电压时的效率测量值图 11 Buck PFC不同输出电压时的PF测量值4.总结本文详细介绍了恒导通时间控制的临界模式Buck PFC的工作原理与设计方法。对Buck PFC采用变频的临界电流控制，能够消除二极管的反向恢复问题，同时实现开关管的软开通，通过实验样机验证在整个输入电压范围内效率均高于96.5%。但是相同功率下Buck电路的开关管峰值电流要比Boost电路大很多，因此Buck PFC较适合用于中小功率的场合。参考文献1 L. Huber, L. Gang, and M. M. Jovanovic, “Design-Oriented Analysis and Performance Evaluation of Buck PFC Front-End,” in Applied Power Electronics Conference and Exposition, 2009. APEC 2009. Twenty-Fourth Annual IEEE, 2009, p. 1170-1176.2 IEC 61000-3-2: 2006 EMC Part 3-2: “Limits- Limits for harmonic current emissions (equipment input current 16 A per phase)”.3 L. Yen-Wu and R. J. King, “High performance ripple feedback for the buck unity-power-factor rectifier,” IEEE Transactions on Power Electronics, vol. 10, p. 158-163, 1995.4 B. Chen, Y. Xie, F. Huang, and J. Chen, “A Novel Single-phase Buck PFC Converter Based on One-cycle Control,” in Power Electronics and Motion Control Conferen