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1、PFC 电路简介及设计计算 传统的工频交流整流电路， 因为整流桥后面有一个大的； 要设计一个功率因数校正电路， 首先我们要给出我们的；已知参数： ；交流电源的频率 fac50Hz 最低交流电压有效；开 关频率 fs65KHz 输出电压纹波峰峰值 Vo；那么我们可以进行如下计算： ；1，输出电流 Iout=Pout/Udc=600 /；2，最大输入功率 Pin=Pout/=600/0；3，输入电流最大有效 传统的工频交流整流电路， 因为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
2、形会导致一些问题，比如无功功率增加、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 形按照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 BOOST 变换器构成 的主电路。而按照输入电流的连续与否，又分 为 DCM、CRM、CCM 模式。DCM 模式，因为控制简单，但输入电流不连续，峰值较高， 所以常用在小功率场 合。CCM 模式则相反，输入电流连续，电流纹波小，适合于大功率场 合应用。介于 DCM 和 CCM 之间的 CRM 称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
3、电感的电流过零信号，当电流过零了，才开通 MOS 管。这种类型的 控制方式，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 模式 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，我们按照 一个输出 500W 左右的 APFC 电路来举例： 已知参数： 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 Pout 600W 最差状况下满载效率92% 开关频率 fs65KHz 输出电压纹波峰峰值 Voutp-p10V 那么
4、我们可以进行如下计算： 1，输出电流 Iout=Pout/Udc=600/400=1.5A 2，最大输入功率 Pin=Pout/=600/0.92=652W 3，输入电流最大有效值 Iinrmsmax=Pin/Umin=652/85=7.67A 4，那么输入电流有效值峰值为 Iinrmsmax*1.414=10.85A 5， 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=2.17A 6，那么输入电感电流最大峰值为： ILpk=Iinrmsmax+0.5*Ihf=10.85+0.5*2.17=11.94A 7，那么升压电感最小值为 Lmin
5、=(0.25*Uout)/(Ihf*fs)=(0.25*400)/(2.17*65KHz)=709uH 8， 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hold up时间， 所以电容容量可能需要重新按照hold up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
6、点，听我一一道来。 磁粉芯的优点是，值低，所以不用额外再开气隙了。气隙平均，漏磁小，电磁 干扰比较低，不易饱和。缺点是，基本是环形的，绕线比较困难，不过目前市场 上也出现了 EE 型的。另外，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，价格便宜，开了气隙后，磁导率稳定。缺 点是需要开气隙，另外饱和点比较低，耐直流偏磁能力比较差。 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较困难，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
7、将来处理电磁兼容带来了很多便 利之处。 E 型的骨架绕线一般都是绕好几层，那么层间电容比较大，对 EMC 产 生不利影响。另外，开气隙的铁芯，在气隙处，铜损会变大。因为气隙处的漏磁 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)/(2.1
8、7*65KHz)=709uH 下面继续计算： 线圈选择电流密度为 5A/平方毫米， 那么可以计算出我们需要用的漆包线的线径 为： 2SQRT(7.67/(53.14)=1.4 毫米 因 为我们这是按照最极限的输入电压也就是说按照最大的输入电流时来计算的。 所以电流密度取的裕量比较大。实际按照不同的成本要求，也可以把电流密度取 大一 些，比如此处取电流密度为 8A/平方毫米的话，那么可以得到线径为：2 SQRT(7.67/(83.14)=1.1 毫米 -这也是可以接受的。 因为是 CCM 模式的工作方式，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
9、公式： LI=NBAe L：电感量，I：电流，N：匝数，B：磁感应强度变化量，Ae：磁芯 截面积 L=NNAl Al：电感系数 H=0.43.14NI/Le H：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，因为磁粉芯的磁 导率随磁场强度变化较大，计算经常需要迭代重复。另外，因为磁环的规格相对 比较少。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：铁镍钼(MPP)、铁镍 50(高磁通)、铁 硅铝(FeSiAl)。其中，铁镍钼粉芯的饱和点大概在
10、B=0.6 附近。而后两者都可以 达到 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： 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 100Oe。 那么根据 L=NNAl H=0.43.14NI/Le 我们得到的限制条件是
11、：0.43.14SQRT(L/Al)I/Le15 所以可以选择此磁芯。 然后，根据 LI=NBAe， 709E-611.94=N0.254.22E-4 N=80， 核算一下窗口面积，假如采用直径 1.4mm 的漆包线，那么 801.4 1.4/100=1.57cm2=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=1.6nF，实际取值为 2.2nF。 电压环路框图 其中， 那个整个电压环路的闭环增益传递函数就是： G1 就是我们要设计的误差放大器的增益传递函数。那么我们首先要计算出开环 传递函数： 我们将前面的设计参数带入上面的公式，得到： 85VAC 输入，满载输出时：f23=0.5707Hz 265VAC 输入，满载输出时：f23=0.5665Hz 而 G4=R2/(R1+R2)=0.0125673 所以我们可以分别得到 85VAC 与 265VAC 满负载时的传递函数为：
