临界模式APFC电路设计与仿真

钟鑫

摘要：为抑制电网的谐波污染，有源功率因数校正（PFC）技术的使用是必要的，分析了临界导通模式的原理和优势，对三种主流控制方法进行了简要对比，最终以L6562为核心元件设计了一种390V/250W的新型APFC控制电路。借助Saber软件搭建仿真电路进行验证，结果表明该电路的功率因数能够接近于1，能有效抑制电流谐波，提高电源利用效率。

关键词：临界导电模式;PFC;谐波污染;功率因数;L6552

中图分类号：TP62+2      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）02-0214-03

1 引言

采用桥式整流和大容量滤波电路的开关电源（SMPS）、电子镇流器和交流变频调速器，因为整流桥后使用了大容量的电容进行滤波，所以整流桥中的二极管只有在交流输入电压的瞬时幅值大于桥后电容上的电压时，才能从截止状态改变为导通状态[1]。输入电压波形畸变微小，但是在极短的导通时间内，交流输入电流会出现尖峰脉冲，畸变相当严重，电流波形基波含量很低，而其次谐波含量非常高。

抑制电网谐波污染的方案主要分为两种：第一种是从电网侧解决，配备滤波器包含有源滤波器（APF）与无源滤波器（PPF）;第二种是从装置侧解决，采用功率因数校正电路（PFC），主要分为有源功率因数校正技术（APFC）和无源功率因数校正技术（PPFC），APFC电路使用脉冲宽度调制技术（SPWM），输入电流能够实时跟踪输入电压，高效地防止电流发生畸变，是现在常用的谐波抑制方案[2]。本文选用工作在临界模式的功率因数控制器L6562设计了一种具有高功率因数的升压PFC电路。

2 CRM-PFC电路分析

2.1 CRM-PFC电路基本工作原理

在图1所示的CRM-PFC简化电路中，输入电压经过检测后取样到乘法器;直流电压输出后经电阻分压取样，输入到误差放大器反相端，与同相基准电压对比，生成一个电压误差信号，再反馈到乘法器的另一端。乘法器的输出信号与电流感测电阻Rs上获取的电压信号共同输入电流比较检查器，产生一个正弦信号，作为PWM控制的参考信号。通过由乘法器的输出对电流检查比较器门限的控制，可迫使电感电流峰值紧密跟随交流输入电压变化的瞬时轨迹。

功率开关管VT1经驱动信号开通，升压二极管VD1则处于截止状态，这个时候流过电感的电流开始线性上升。只要电流感测电阻Rs上的电压信号大于电流比较检查器的参考电平，检查器则改变输出状态，输出信号关闭VT1，升压电感中储存的能量开始输出，二极管处于正向导通状态，在这期间，电感器中的电流从最大值逐渐线性下降。电感电流一放完，用作高灵敏度传感器的副边绕组则会检测到过零信号，门级驱动器输出信号让VT1再次开通，进入下一个开关周期，又循环重复之前的充放电过程。两个开关周期内，会出现电感电流为零的点，但不是电感电流为零的死区。SPWM逻辑控制电路同时受到电流比较检查器和零电流检测器的控制，能够保证在同一瞬间只存在一种状态的参考信号。

2.2 CRM-PFC控制技术特点

临界导电模式PFC控制技术有如下优势：

1） 電路结构不复杂，方案成熟，在中小功率的荧光灯及低功率金卤灯和高压钠灯电子镇流器中得到广泛应用;

2） 在每一个开关周期之内，电感电流呈三角波。从两个开关周期来看，期间电感电流会降至零点，但是由于间隙时间极短，所以并不是死区。电感电流峰值的最大值不超过在平均输入电流最大值的2倍，因此，功率元器件可选择大量适用于小电流容量的器件;

3） 在功率因数校正升压变换器的输出端，可以输出经过调节的稳定直流电压，纹波波动小、纹波为正弦波形状，频率为输入交流电的两倍;

4） 开关管的开启和关断时间不是恒定不变的，它与交流输入电压的波形轨迹密切相关。AC输入电压从零点上升到最大值的阶段，开关频率是缓慢降低的，在交流电压过零附近，开关频率最高，这会使EMI滤波器的应用更加困难;

5） 满足宽范围交流电压输入要求，谐波含量完全符合欧洲IEC-1000-3-2标准。临界导通模式功率因数校正技术采用零电流开关峰值电流控制技术，在中小功率场合，尤其是在40～150W的电子镇流器和开关电源中应用及其广泛。在CRM工作的功率因数控制集成芯片种类也多，价格也相对较低。

断续导电模式（DCM）控制技术工作开关频率不变，输入峰值电流能够很好地跟踪输入电压，但是输出功率较小，对元器件要求高，电流有一定的失真。连续导电模式（CCM）控制模式可应用在大功率场合，但尖峰电流会给二极管带来极大损耗，影响整个电路工作效率。电路工作在CRM状态下，则各方面表现最为理想，对器件要求也没那么苛刻，也可以避免二极管反向恢复问题，并且输入平均电流和输入电压呈线性关系。因此，采用CRM-PFC控制技术在300W以下中小功率的应用中优势明显，并且市场份额大，所以对临界导电模式下的功率因数校正技术开展研究具有非凡的意义。

3 L6562芯片介绍

ST公司研发的L6562芯片是价格较低低的PFC控制器，是一种电流模式并工作在临界导通状态的低THD控制集成电路。采用8引脚DIP和8引脚SO封装，常应用于电视、个人电脑，和监视器的开关电源、高端AC/DC适配器、服务器等。

3.1 L6562引脚功能描述

L6562引脚功能如下所示。

INV：电压误差放大器的反相输入端。接入分压电阻器来获取输出电压信息并与此引脚相连接。

COMP：误差放大器的输出端。这个引脚和INV引脚形成了补偿网络，使输出电压闭环网络的控制更加稳定，并且可以确保高功率因数和极低的总谐波失真（THD）。

MULT：乘法器的输入端。采样电阻获取整流后的输入电压波形，反馈给此引脚，给电流环提供正弦参考信号。

CS：PWM比较器输入端。流过电感的电流会通过一个电阻感测到，输入到此引脚，再与乘法器生成的内部正弦信号比较，判断MOS管是否关断。

ZCD：临界模式升压电感退磁感应输入端。该引脚检测电感电流的下降沿，判断是否触发MOS管开启。

GND：接地端，芯片所有信号和门级驱动都以此地为参考。

GD：门级驱动信号输出端。一般在该引脚与开关管栅极间连接一个阻值很小的电阻，可避免开关管震荡。

VCC：为芯片信号部分和门级驱动提供电压。最大供电电压为22V，可适应较宽范围的电源电压。

4主电路参数计算

主电路参数按照以下指标进行设计：变换器最大输出功率Po=250W;AC輸入电压范围Virms=198V～242V;DC输出电压Vo=390V;整个变换器效率η=90%。

4.1升压电感

在Boost升压电路中，为了有效防止出现噪声，开关频率必须大于20kHz。输出功率和最小开关频率由电感值的大小决定：

本文设定最小开关频率[fsw（min）]=25kHz，高于音频范围（20Hz～20kHz），可避免噪声干扰，将相关数据代入便求得电感值，综合考虑，选取L=500uH。

4.2输入电容

用来滤除高频成分，取值过大过小都会对电路造成一定影响。电容值与最小开关频率和前级纹波大小相关，纹波一般不大于等效阻抗最小值的5%，经相关变换可得出公式，即：

综合考虑，选取C1=1μF。

4.3输出电容

在选择升压型有源功率因数校正电路的输出电容时，一般有以下几个要求：体积小，耐压水平高，能够承受高温，能够承受并吸收一定的纹波电流。考虑到直流输出电压的大小，一般选择额定耐压值450V的电解电容。

输出电容的大小与输出纹波电压峰值Vp-p、输出电流[Io]相关，可按下式进行计算：

式中[fac]为输入交流电频率，Vp-p一般取输出电压的5%，综合考虑，选取C3=150μF。

5仿真校验

使用Synopsys公司的一款EDA软件Saber搭建仿真原理图，如下图2所示。

各项参数根据计算设置为：输入电压220V，输入频率50Hz，升压电感0.5mH，输入电容1μF，输出电容150μF，负载610Ω，其他外围器件可查询芯片手册确定。

变换器的输入电压和输入电流仿真波形如图3所示，可以看出：随着输入电压的变化，输入电流紧密跟随，基本趋近于同相位，功率因数近似为1。图4为输出电压波形，可以看出：输出电压平均值约为389.01V，纹波峰峰值约为20.13V。输出功率波形如图5所示，输出功率约为246.2W，由此可得变换器效率约为96%，总体达到预期设计效果。

6结论

在分析临界模式功率因数校正原理的基础上，对APFC主电路参数进行计算，以L6562这一临界导电模式控制芯片为核心对仿真电路进行分析设计，结果表明该电路在中小功率的场合，能在很大程度上改善电源的功率因数，降低谐波污染。

参考文献：

[1] 毛兴武，祝大卫.功率因数校正原理与控制IC及其应用设计[M].北京：中国电力出版社，2007.

[2] 李文渝.Boost型功率因数校正电路的设计与研究[D].浙江大学，2017.

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[5] 蔡子琨，袁乐，杨喜军，等.一种断续导电模式的单相AC-DC变换器[J].电气传动，2020，50（6）：34-40.

[6] 刘磊，李宏.基于BOOST型电路的APFC设计与实现[J].微电机，2020，53（01）：108-111.

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【通联编辑：光文玲】