基于PFC的离线式开关电源电路设计

来源:未知  发布时间:2013-09-22 20:12  Tags:开关电源 PFC 
离线式开关电源通常应用整流桥和输入滤波电容从输入吸收能量,大电容在接近交流输入峰值处充电以给为逆变提供能量的未经调整的BUS提供能量。电容的容量必须足够大,当整流后半期内线电压低于BUS电压时,仅由它向后续提供能量。本文所述的高PFC放置于输入整流...

离线式开关电源通常应用整流桥和输入滤波电容从输入吸收能量,大电容在接近交流输入峰值处充电以给为逆变提供能量的未经调整的BUS提供能量。电容的容量必须足够大,当整流后半期内线电压低于BUS电压时,仅由它向后续提供能量。本文所述的高PFC放置于输入整流和BUS电容之间,工作频率远大于线电压频率,校正器吸收正弦半波输入电流,相位与线电压相位相同通过BUS直流电压与参考电压的比较控制电流。

基本运行原理:

本文假定PFC工作频率为fs=100khz,电网频率为60hz,校正器吸收随正弦半波电压成正比变化的电流以获得功率因数接近1的输入。因此在整流桥输入端电流与电压同相位。当然,这只是用纯电阻负载。拥有这种功能的校正电路叫做“电阻竞争者”。

输入电流控制通过乘法器,让表征整流输入线电压波形的正弦半波与控制电压相乘,得到VERR,VERR在每个半波内必须恒定,因此可以控制VERR来控制RMS输入电流,以控制每半个周期从电网吸收的能量。

VERR代表VDC与参考电压的偏差,经放大转变成误差放大器的输出。当VDC低时,VERR变大,增大输入功率以弥补滤波电容上能量的损失。

功率变换:尽管校正器输入电流波形时正弦波,但它的输出电流ichg是个正弦的平方的函数,通过思考校正器的输入/输出功率而非输入/输出电压可以得到各个运行参数。假定为高输入功率因数校正,其频率远大于工频,在校正器上储存和消耗的能量忽略不计(电感储存的能量在每个开关周期上通常大于其传递的能量,但是在每工频半周期内可以忽略)。因此输入与输出功率相等。

BOOST电路:

最常用的HPFC电路,输出必须总大于输入暂态值。输入电流不需要关断,由于电感的存在很小,减小了线路污染和EMI,另外线路的SPIKE被电感吸收,增加了系统可靠性。电流连续模式下,输入电感使电流控制模式得以很好应用以控制输入电流正弦(电流控制实际市控制电感电流)晶体的位置使得其容易驱动,因为S和E极参考控制电路和电容的共同端。晶体最大电压为电容电压。其最大的缺点是不能限流,因为其在输入和输出间没有串联开关。不能控制过载和启动过电流,只有通过后续逆变部分提供保护。

还有,当输入电压比输出电压高的时候,其不起作用,这种情况发生在每次供电设备开机和线电压足够长时间的紊乱的时候。软启动没有作用,因为在这种情况下BOOST电路不运行。晶体一直关断,但是输入电流将上升,其峰值将大于几倍额定电流值,导致电感饱和,除非另加限流电路。

必须加入斜坡补偿,以防止在D大于0.5(VIN〈VDC/2〉时系统不稳定。因为电感电流随输入电压变化,所以斜坡补偿很难控制,这个问题可以通过降低电流内环带宽避免,以致电感电流平均值被直接控制,而不是截取峰值电流。因为开关频率远大于电网频率,所以有很大的空间去控制电流环的带宽。

不连续的电感电流模式不能用在HPFC电路中,因为在峰值输入电压处电感电流下降很窄,因此纹波电流很小。但是在HPFC在输入电压峰值处,线电流也在其峰值处。拥有高峰值电流低纹波,电感电流必须连续。

BUCK电路

由于BUCK电路要求输入总大于输出,所以其不用在HPFC中。在输入电流为正弦半波时候,当其变化的电压数值小于BUS电压时,其停止工作。虽然如此,但是BUCK拓扑在做限流时非常有用(母线有开关管),其可以作为BOOST的一个补充。