Topswitch在PFC中的应用

     功率因数校正(PFC)技术能够实现各种电源装置电网侧电流正弦化,使电网资源得到充分利用,基本上消除负载与电网､负载与负载之间的高次谐波污染,净化电网｡单相PFC已进入实用阶段,其实现方式多种多样,较为常见的有用UC3854为控制IC设计的3kW以下的PFC电路,但该电路较为复杂,外围元件多,特别是小功率器件的应用｡本节介绍用TOPS-itch设计的功率在150W以下的简捷PFC电路设计｡

     1. Topswitch在PFC中应用的设计原理

     Topswitch为三端脉宽调制(PWM)开关,在实现相同功能､外围元件最少的前提下,Topswitch具有开关电源所有必需的功能,且内含功率MOSFET､PWM控制器､内启动电路､环路补偿和热关断电路,使电源电路得以进一步简化,缩短设计时间｡Topswitch的设计除具有上述最大优点外,其设计的电源电路还可保证得到较高的电源效率

   图5-42为一个简单的应用Topswitch设计的升压型PFC电路｡其工作频率为10kHz,远高于电网频率,通过电源滤波器在电网侧可以实现正弦输入电流波形,并且与输入电压的波形同相｡这个电路在提升电感上产生的波形示意图如图5-43所示｡虚线为经过电原滤波器在电网侧出现的电流波形｡该波形就是开关管工作在电流断续状态下产生的｡提升电感､Topswitch和二极管上的电流IL､Ir､ID如图5-44所示｡在这个电路中,=Ir+ID,l1的电流波形即为Ir和ID电流波形的简单叠加｡图5-45为实际测试的波形｡从图中可以看出,在固定周期的情况下,它的电流与正弦电流相差较大,经过补偿后的输入电流实际测试波形如图5-46所示｡总谐波失真(THD)不超过18%,功率因数(PF)为0.978｡

   预补偿原理

     如图5-47所示,在一个开关周期内,I1平均值不随整流后电压瞬时值线性变化,即输入电压瞬时值上升后,平均值上升更快｡经过电源滤波后,产生如图5-45所示的非正弦波形｡为了使电流波形进一步正弦化,可以采用预补偿方式,即采用恒频非恒占空比的控制方式

     产生这种结果的原因是:在Topswitch的整个工作过程中,提升电感上的电流是TOPSwitch上电流和提升二极管电流的代数和(见公式I1=I+ID), Topswitch上的电流随着整流后的输入电压呈线性关系,平滑后是正弦电流｡可是提升二极管上的电流随着输入电压的升高而迅速上升,呈非线性关系,平滑后不是正弦电流｡这样叠加的结果使提升电感上的电流就不是正弦的｡

    因为提升二极管上的电流不受控,所以要想改善提升电感上电流波形,就只能通过控制IC改善Topswitch的电流波形,使Topswitch上的波形不是一个正弦波,以此来补偿提升二极管不是正弦波的缺陷｡这个问题是很多无乘法器的控制IC在Boost电路中普遍存在的问题,这些都可以通过预补偿的方式得以改善｡改善的关键就是选择合适的预补偿电阻｡

     在输入高电压时减小Ir的占空比,这样使得I1的波形就不再如5-45所示｡经过补偿的电流波形如图5-47所示,这样IL的波形已经近似于正弦波,电路原理图如图5-48所示,通过预补偿电阻R1和直接输出电压检测电路控制流入Topswitch控制脚的电流,使Topswitch

     的调制方式变成恒频非恒占空比的方式,达到较为理想的PFC｡占空比与瞬时输入电压呈线性关系, Topswitch具有电流线性控制占空比变换器,当流入Topswitch控制引脚的电流在2.0~6.0mA范围内增大时, Topswitch的占空比将从67%下降到1.7%,所以通过预补偿电阻控制部分Topswitch控制引脚的电流来控制占空比｡预补偿电阻的选择是很重要的(后文对预补偿电阻的选择有论述)｡当整流后的电压最低时, Topswitch的控制引脚通过预补偿电阻R1泄放电流,使流入控制引脚的电流减小,这时Topswitch的占空比最大｡

    随着整流后的输入电压的增高,流入Topswitch控制引脚的电流也将逐渐增加, Topswitch的占空比逐渐减小｡当输入电压达到最高时, Topswitch的占空比最小,这就完成了恒频非恒占空比的控制方式｡在图5-47中可以看出,预补偿以后,由于Topswitch上的电流减小了,提升电感上的电流三角形的面积小于预补偿以前的,电流的平均值也就减小了,平滑后的电流波形也就接近正弦波形了,如图5-49所示｡占空比随着瞬时输入电压的变化而变化｡这时THD<7%,PF为0.98｡