(完整版)CCM的PFC设计

1、传统的工频交流整流电路,由于整流桥后面有一个大的电解电容来稳定输出电压,所以使电网的电流波形变成了尖脉冲,滤波电容越大,输入电流的脉宽就越窄,峰值越高,有效值就越大.这种畸变的电流波形会导致一些问题,比方无功功率增加、电网谐波超标造成干扰等.功率因数校正电路的目的,就是使电源的输入电流波形根据输入电压的变化成比例的变化.使电源的工作特性就像一个电阻一样,而不在是容性的.目前在功率因数校正电路中,最常用的就是由BOOS直换器构成的主电路.而根据输入电流的连续与否,又分为DCMCRMCCM莫式.DCM莫式,由于限制简单,但输入电流不连续,峰值较高,所以常用在小功率场合.CCM莫式那么相反,输入电流

2、连续,电流纹波小,适合于大功率场合应用.介于DCMF口CCMfc间的CRM为电流临界连续模式,这种模式通常采用变频率的控制方式,采集升压电感的电流过零信号,当电流过零了,才开通MOSf.这种类型的限制方式,在小功率PFC电路中非常常见.今天我们主要谈适合大功率场合的CCM莫式的功率因数校正电路的设计.要设计一个功率因数校正电路,首先我们要给出我们的一些设计指标,我们根据一个输出500W左右的APFCt路来举例：参数：交流电源的频率fac50Hz最低交流电压有效值Umin85Vac最高交流电压有效值Umax265Vac输出直流电压Udc400VDC输出功率Pout600W最差状况下满载效率92%

3、开关频率fs65KHz输出电压纹波峰峰值Voutp-p10V那么我们可以进行如下计算：1,输出电流Iout=Pout/Udc=600/400=1.5A2,最大输入功率Pin=Pout/r=600/0.92=652W3,输入电流最大有效值Iinrmsmax=Pin/Umin=652/85=7.67A4,那么输入电流有效值峰值为Iinrmsmax*1.414=10.85A5,高频纹波电流取输入电流峰值的20%那么Ihf=0.2*Iinrmsmax=0.2*10.85=2.17A6,那么输入电感电流最大峰值为：ILpk=Iinrmsmax+0.5*Ihf=10.85+0.5*2.17=11.94A7

4、,那么升压电感最小值为Lmin=(0.25*Uout)/(Ihf*fs)=(0.25*400)/(2.17*65KHz)=709uH8,输出电容最小值为：Cmin=Iout/(3.14*2*fac*Voutp-p)=1.5/(3.14*2*50*10)=477.7uF,实际电路中还要考虑holdup时间,所以电容容量可能需要重新根据holdup的时间要求来重新计算.实际的电路中,我用了1320uF,4只330uF的并联.有了电感量、有了输入电流,我们就可以设计升压电感了！PFC电路的升压电感的磁芯,我们可以有多种选择：磁粉芯、铁氧体磁芯、开了气隙的非晶/微晶合金磁芯.这几种磁芯是各有优缺点,听

5、我一一道来.磁粉芯的优点是,科值低,所以不用额外再开气隙了.气隙平均,漏磁小,电磁干扰比拟低,不易饱和.缺点是,根本是环形的,绕线比拟困难,不过目前市场上也出现了EE型的.另外,科值随磁场强度的增加会下降.设计的时候需要反复迭代计算.铁氧体磁芯的优点是损耗小,规格多,价格廉价,开了气隙后,磁导率稳定.缺点是需要开气隙,另外饱和点比拟低,耐直流偏磁水平比拟差.非晶/微晶合金的优点是饱和点高,开气隙后,磁导率稳定.同样缺点是需要开气隙.另外,大都是环状的.在此说明一下,环形铁芯虽然绕线比拟困难,没有E型什么带骨架的那种容易绕.但是环形铁芯绕出来的电感分布电容小,对将来处理电磁兼容带来了很多便利之处

6、.E型的骨架绕线一般都是绕好几层,那么层间电容比拟大,对EMCT生不利影响.另外,开气隙的铁芯,在气隙处,铜损会变大.由于气隙处的漏磁在铜线上产生涡流损耗.下面我们就选择一种环形磁粉芯来作为我们PFC电感的磁芯.我们上面已经计算出了几个参数：输入电流最大有效值Iinrmsmax=Pin/Umin=652/85=7.67A输入电感电流最大峰值为：ILpk=Iinrmsmax+0.5*Ihf=10.85+0.5*2.17=11.94A升压电感最小值为Lmin=(0.25*Uout)/(Ihf*fs)=(0.25*400)/(2.17*65KHz)=709uH下面继续计算：线圈选择电流密度为5A/平

7、方毫米,那么可以计算出我们需要用的漆包线的线径为：2XSQRT(7.67/(5X3.14)=1.4毫米由于我们这是根据最极限的输入电压也就是说根据最大的输入电流时来计算的.所以电流密度取的裕量比拟大.实际根据不同的本钱要求,也可以把电流密度取大一些,比方此处取电流密度为8A/平方毫米的话,那么可以得到线径为：2XSQRT(7.67/(8X3.14)=1.1毫米这也是可以接受的.由于是CCM莫式的工作方式,基波是低频的半正弦波,在此处我们就不考虑趋肤效应了.选用单根的漆包线就可以了.常用的几个公式：LI=NABAeL:电感量,I:电流,N:匝数,AB:磁感应强度变化量,Ae：磁芯截面积L=NXN

8、XAlAl:电感系数H=0.4X3.14XNXI/LeH:磁场强度,Le：磁路长度计算磁芯大小的方法有几种,最常用的就是AP法,但实际上,由于磁粉芯的磁导率随磁场强度变化较大,计算经常需要迭代重复.另外,由于磁环的规格相比照拟少.我们就不用AP法计算了.而是直接拿磁芯参数过来计算,几次就可以得到需要的磁芯了.经验越丰富,计算就越快了.适合用来做PFC电感的磁粉芯主要有三类：铁馍铝(MPP)、铁馍50(高磁通)、铁硅铝(FeSiAl).其中,铁馍铝粉芯的饱和点大概在B=0.6附近.而后两者都可以到达1以上.此处,我们选用某国产的铁硅铝粉芯,下面是该粉芯的一些特性曲线图:磁导率一直流偏磁曲线(H-

9、Ho)磁化曲线田)从图上可以看见,当磁场强度上升的时候,磁导率在下降.那么电感量也就会下降.所以,我们希望电感量在承受直流偏磁时不要跌落的太多,那么设计所选择的磁场强度就不能太高.我们选用初始磁导率科0=60的铁硅铝粉芯,那么可以从图中看到,当磁场强度为100Oe时,磁导率还有原来的42%而当磁场强度为100Oe时,磁感应强度为0.5T,远未到饱和点.我们就把设计最大磁场强度定为1000a那么根据L=l<NXAlH=0.4X3.14XNXI/Le我们得到的限制条件是：0.4X3.14XSQRT(L/Al)XI/Le<100由于100Oe时,磁导率只有初始值的42%所以我们要对上式中

10、的Al乘上这个系数.那么带入相关的参数L=709uH,I=11.94A,我们有：0.4X3.14XSQRT(709E-6/(0.42XAl)X11.94/Le<100,简化后得到：0.616/(LeXSQRT(Al)<100注意：上式中,Le的单位是：cm,Al的单位是：H/(NxN)现在,我们可以把磁芯参数带入计算了.选择一个：A60-572A,Le=14.3cm,Al=140nH/(NXN),Ae=2.889平方厘米,带入后得到：115<100显然磁芯不适宜,再选择一个更大的：A60-640,Le=16.4cm,Al=144nH/(NXN),Ae=3.53平方厘米,计算得

11、到：99<100,不等式满足.磁芯选定.然后,根据99=0.4X3.14XNXI/Le计算得到N=108圈有时,选择不到适宜的单个磁芯,可以选择两个磁芯叠加起来使用.解释:微化曲线(B-H)磁导率一直流侑磁曲线(n-Ho)11109OA60®A75编内25100晔强度Hg窝af假设我们选择另一种材质的磁芯,选择磁导率在直流磁场下衰落比拟小的高磁通粉芯,我们来看看计算结果如何.我们选用初始磁导率科0=60的FeNi50粉芯,那么可以从图中看到,当磁场强度为100Oe时,磁导率还有原来的65%而当磁场强度为100Oe时,磁感应强度为0.65T,远未到饱和点.我们可以设计最大磁场强度

12、定为100Oe.那么根据L=NXNXAlH=0.4X3.14XNXI/Le我们得到的限制条件是：0.4X3.14XSQRT(L/Al)XI/Le<100由于100Oe时,磁导率只有初始值的65%所以我们要对上式中的Al乘上这个系数.那么带入相关的参数L=709uH,I=11.94A,我们有：0.4X3.14XSQRT(709E-6/(0.65XAl)X11.94/Le<100,简化后得到：0.495/(LeXSQRT(Al)<100注意：上式中,Le的单位是：cm,Al的单位是：H/(NxN)现在,我们可以把磁芯参数带入计算了.选择一个：H60-572A,Le=14.3cm,

13、Al=140nH/(NXN),Ae=2.889平方厘米,带入后得到：92.5<100显然这个磁芯是可以的.然后,根据92.5=0.4X3.14XNXI/Le计算彳#到N=88圈假设用铁氧体磁芯来设计PFC升压电感呢？由于铁氧体的规格众多,所以,这时候用AP法来初步计算一下倒是很方便哦：AP=(LXIXIX100)/(BXKoXKj)A1.14二(709E-6X11.94X11.94X100/(0.25X0.75X5)人1.14=15cmA4BKo0.75,Kj5AA1.14表示1.14次方.此公式见蔡宣三的?开关电源设计?一书.经过选择,我们可以选择某公司EE55B铁氧体磁芯：Ae=4.

14、22cmA2,Aw=3.85cmA24.22X3.85=16.25>15所以可以选择此磁芯.然后,根据LI=NABAe,709E-6X11.94=NX0.25X4.22E-4N=80,核算一下窗口面积,假设采用直径1.4mm的漆包线,那么80X1.4x1.4/100=1.57cmA2<<Aw这个时候,如果像像上面这样窗口裕量比拟大的情况下,可以适当多绕些匝数,依然通过调节气隙的方法,把电感量调节到709uH左右.可以降低工作的磁感应强度,对于抗饱和有帮助.用铁氧体磁芯来制作PFC电感,还有一个地方需要留意的是,在开气隙的附近由于漏磁,铜损会比拟大,所以对于EE型的磁芯,垫气隙

15、可以将气隙分成两局部,比磨掉中柱的那样好,由于将气隙分散,可以减少漏磁.应用于CCM莫式的限制IC非常多,限制模式也比拟多,有平均电流型,也有峰值电流型.根据经验,峰值电流型的对噪声比拟敏感,更多可供选择的那么是平均电流型的IC.最知名的估计就是UC3854系列了,但我个人更喜欢L4981系列的,由于L4981的外围功能更丰富,工作更平安可靠.最近几年还出现了不需要采集前级半正弦波的单周期控制方式的IC,最知名的就是in巾neon公司的ICE1PCS01/02系列现在好似已经是升级到了ICE3系列了和IR公司的IR1150O这两款IC,我个人更喜欢ICE系列的,由于IR1150是峰值电流型限制

16、,而ICE系列是平均电流型限制.峰值电流型限制对抗噪水平偏差.由于单周期系列的限制IC外围电路极其简单,所以目前在中等功率的PFC应用场合使用非常广泛.总白来说,单周期的限制IC抗干扰水平比传统带乘法器的那类UC3854/L4981等还是差一些,哪怕是平均电流模式的单周期芯片,新出来的改良版的如何,我不了解.所以大功率场合还是建议采用传统的PFC限制IC.本文中,我方案以ICE1PCS01为例,介绍一下它的限制电路设计.具体而详细的设计方法,还是请参阅infineon公司提供的相关技术文档.我在此处,只是把相关具体的设计提取出来,作一个简化,并根据我们上面的设计指标要求来具体计算一下.先贴出电

17、路原理图：EMIFiber；AnxilimySupply本VIN=K5VAU1Figure2TypiGihlcircuitofICE1CBB的高频滤波电容Cino实际应用的时候,我觉得应该在整流桥后面的直流母线上加一个计算如下:1,输入高频滤波电容Cin的计算一KrxlirumsmaxCin>-2x7rxfexrxUminKr是电流纹波系数,r是电压纹波系数,通常取0.020.08我们在此处把Kr=0.20,Iinrmsmax=7.67A,fs=65KHz,r=0.05,Umin=85V代入得到Cin>=884nF,实际Cin可以取值1uF,Cin值不可太大,太大了会造成电流波形畸

18、变.具体的值可以在调试的时候再作些调整.2,频率设定电阻Rfreq可以从ICE1PCS01的设计资料里查图得到,65K的开关频率,对应的Rfreq约为68K.3, Rsense电阻计算Rsense<=0.66/ILpk=0.66/11.94=0.055欧,实际取三只0.15欧/3W的无感电阻并联.4, R3的数值令我苦恼,计算方法是,IC的ISENSE脚电流应该限制在1mA当开机时,由于有大的冲击电流,假设冲击电流为30A,那么在电流采样电阻RSENSEh瞬间可以产生1.5V的电压,那么R3的数值应该为1.5K.但是infineon的设计资料建议用220欧电阻.所以我有点不知所措了.不过

19、,这里先暂时用220欧吧,设计用下来好似也没有出问题.5, R1、R2是输出电压的采样分压电阻.由于ICE1PCS01的内部基准是5V,所以,我们这里R2取5.6K,R1取440K.卜面开始电流环路和电压环路补偿的计算.先把infineon设计资料里面提到的几个设计常数贴出来:几个常数：133、取7席1=42u85VAC(fullload)265VAC(fullload)Vcomp(V)5.535M1J0.850.32M21.880.51K21.3_i03JC1用来滤除开关频率的电流纹波,计算如下："K1x2x7txX；w1/5,那么代入参数后,可以得到:fave是转折频率,必须远低于开关频率,这里取开关频率的C1>=1.6nF,实际取值为2.2nF.电压环路框图ThecontrolloopblockdiagramforICE1PCS01basedCCMPFC