【導(dǎo)讀】本文主要講述了升壓跟隨器的優(yōu)點(diǎn)，以及在低壓狀態(tài)下運(yùn)行的升壓開關(guān)損耗。基于這些知識來對PFC控制器的性能進(jìn)行提高，PFC的數(shù)值越大，就表示其電力的利用率越高，所以熟練掌握PFC的相關(guān)知識就能夠?yàn)槲覀兊脑O(shè)計(jì)提供更加便利的捷徑。
接觸過開關(guān)電源的朋友都知道，在開關(guān)電源的運(yùn)行過程當(dāng)中，存在電流和電壓之間的一種損失，電流和電壓之間的相位差會造成交換功率的損失，而此時(shí)我們就需要PFC來幫助我們提高電路的功率因數(shù)。因此，離線功率轉(zhuǎn)換器通常設(shè)計(jì)為兩級的級聯(lián)型。第一級為一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器，這是因?yàn)樵撏負(fù)浣Y(jié)構(gòu)擁有連續(xù)輸入電流(通過使用乘法器可實(shí)現(xiàn)電流波形控制)以及可實(shí)現(xiàn)近似單位功率因數(shù)的平均電流模式控制。但是，升壓轉(zhuǎn)換器需要一個(gè)比輸入電壓更高的輸出電壓，和另外一個(gè)將輸出電壓降壓至可用電壓等級的轉(zhuǎn)換器(見圖 1)。
圖1 典型的兩級離線功率轉(zhuǎn)換器
升壓跟隨器的優(yōu)點(diǎn)
傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器的固定輸出電壓要比線電壓的最大峰值高出許多。但是，由于可設(shè)計(jì)步降轉(zhuǎn)換器應(yīng)對電壓變化，所以并不需要對升壓電壓進(jìn)行專門的調(diào)節(jié)或穩(wěn)壓。只要升壓電壓高于輸入電壓峰值，轉(zhuǎn)換器就能正常運(yùn)行。隨著線電壓峰值變化而改變升壓電壓有以下優(yōu)點(diǎn)(例如升壓跟隨器預(yù)調(diào)節(jié)器)：一是升壓電感器的尺寸縮小，二是低壓運(yùn)行時(shí)的較低開關(guān)損耗。圖 2 顯示了升壓跟隨器和傳統(tǒng)的 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器的輸出電壓隨著輸入電壓 (Vin(t)) 變化而變化的情況。
圖2 隨著輸入電壓變化，傳統(tǒng)升壓調(diào)節(jié)器和升壓跟隨器輸出電壓的變化情況
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較低的升壓電感 (L)
升壓電感器的選擇是根據(jù)允許的最大紋波電流 (△I) 確定的，此時(shí)，線電壓 [Vin(min)]和輸出電壓[Vout(min)] 均為最低，而占空比 (D) 為最大。下面的方程式用來計(jì)算出樣機(jī)電源升壓功率級所需電感。最小輸出電壓峰值的減小導(dǎo)致最大占空比的減小，從而使升壓電感減少。
低壓運(yùn)行時(shí)較低的升壓開關(guān)損耗
在離線 PFC 轉(zhuǎn)換器中，轉(zhuǎn)換器的大部分功耗都來自于進(jìn)行升壓開關(guān)轉(zhuǎn)換 (Q1) 時(shí)的開關(guān)損耗。下面的方程式可以計(jì)算出FET開關(guān)損耗 (PFE_TR) 和部分 FET 寄生電容損耗 (PCOSS)。在下面的方程式中，IRMS_L表示流過升壓電感器的均方根電流，Ton和Toff為FET開關(guān)轉(zhuǎn)換次數(shù)，變量fs表示功率轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換頻率，Coss表示 FET寄生電容。從方程式可以推出，如果輸出電壓降低，開關(guān)損耗也將減少。升壓跟隨器的PFC轉(zhuǎn)換器在低壓運(yùn)行時(shí)，其輸出電壓要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的 PFC 升壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，同時(shí)這也減少了開關(guān)損耗。
為了進(jìn)一步的說明，我們建立了使用通用線電壓(如 85Vac 至 265Vac)UCC3817 PFC 控制IC的兩個(gè)功率為 250W 的轉(zhuǎn)換器樣機(jī)。其中一個(gè)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)采用傳統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，輸出電壓為 390V。另一個(gè)轉(zhuǎn)換器則是利用升壓跟隨器技術(shù)進(jìn)行構(gòu)建的，輸出電壓可以在 230V 至 387.5V 之間進(jìn)行變化。低壓運(yùn)行時(shí)升壓跟隨器功率大約高出 2%~3%。請參見圖 3 進(jìn)行功率比較。
圖3 傳統(tǒng)PFC和升壓跟隨器PFC在85Vrms時(shí)的效率
所需額外電路
設(shè)計(jì)一款帶有典型 PFC 控制器的升壓跟隨器 PFC 功率級并不困難，只需要 5 個(gè)額外電子元件即可(見圖 4)。
圖4 升壓跟隨器電路只需多增加5個(gè)元件
所需的額外電子元件分別為 C1、R1、R2、R4、Q1 和 D1，這些元件可以用于吸收電壓環(huán)路反饋中電壓放大器反相信號的額外電流。當(dāng)整流線電壓增高或降低時(shí)，Q1 吸取一個(gè)流經(jīng) R3 的對應(yīng)電流，從而導(dǎo)致輸出電壓隨著線壓的改變而改變。使用二極管來抵消Q1基極發(fā)射極結(jié)溫 (Vbe) 的變化。電容 C1 和 R2 形成一個(gè)低通濾波器，可以消除由整流線電壓引起的紋波電壓。
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應(yīng)用實(shí)例
本電路是為了使輸出電壓在 230V 至 390V 之間變化而設(shè)計(jì)的，大致為一個(gè) 2:1 的輸入范圍。設(shè)計(jì)本電路的第一步是建立分壓器，可以由 R3 和 R4 來組成。首先選擇 R3，然后使用下列方程式計(jì)算出 R4 所需的值。在本設(shè)計(jì)中，Vref 的值為 7.5V，Vout(最小)的值為 230V。
由 R1 和 R2 組成的分壓器，用來使 Q1 的基電壓在 1.4V 至 3.9V 之間變化。必須注意的是，不要使晶體管飽和。下列方程式可以用來選取 R2 的值：
在輸入電壓最小化至 85V 均方根電壓時(shí)，Vqb1(最小)是 Q1 的基電壓。Vd 是電路的正向二級管壓降。
電容C1用來過濾出整流線電壓紋波。為了限制第三階諧波電流失真，安裝濾波器來將整流線頻率減至Q1基點(diǎn)最大電壓的1.5%(Vqb1(最大))。
本設(shè)計(jì)中，最大輸入電壓為 265V，線頻率(f_line)為 60Hz。
在最終設(shè)計(jì)中，輸出電壓隨線電壓的增長應(yīng)在設(shè)計(jì)電壓的 8% 以內(nèi)。除了Q1基極發(fā)射極電壓 (Vbe) 的電阻器容差和變化以外，二級管的正向電壓也是出現(xiàn)誤差的原因。在本應(yīng)用中，升壓電壓不需要一個(gè)嚴(yán)格的容差，因?yàn)橄掠无D(zhuǎn)換器會對 PFC 預(yù)調(diào)節(jié)器輸出電壓中任何異常的變化進(jìn)行校正。
本文主要講述了升壓跟隨器的優(yōu)點(diǎn)，以及在低壓狀態(tài)下運(yùn)行的升壓開關(guān)損耗。基于這些知識來對PFC控制器的性能進(jìn)行提高，PFC的數(shù)值越大，就表示其電力的利用率越高，所以熟練掌握PFC的相關(guān)知識就能夠?yàn)槲覀兊脑O(shè)計(jì)提供更加便利的捷徑。
