基于L6562A的兩級(jí)式PFC電路的研究*

房緒鵬，李　輝，莊見偉，許玉林，趙志遠(yuǎn)，許　偉

（山東科技大學(xué)，電氣與自動(dòng)化學(xué)院，山東青島266590）

基于L6562A的兩級(jí)式PFC電路的研究*

房緒鵬*，李輝，莊見偉，許玉林，趙志遠(yuǎn)，許偉

（山東科技大學(xué)，電氣與自動(dòng)化學(xué)院，山東青島266590）

開關(guān)電源在電源領(lǐng)域中以其高效率、低功耗、高能量密度、電壓適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)在各行各業(yè)得到大量的應(yīng)用。然而，其輸入電流并非跟蹤電壓變化，含有大量的奇次諧波電流，對(duì)電網(wǎng)造成大量的諧波污染。對(duì)比現(xiàn)有兩級(jí)式和單級(jí)式兩種形式的PFC電源，運(yùn)用L6562A芯片將TOPswitch227功率集成芯片應(yīng)用于兩級(jí)式PFC電路中，簡化了兩級(jí)PFC電路結(jié)構(gòu)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了所研究電路的可行性。

兩級(jí)式PFC；L6562A；反激；TOP switch

開關(guān)電源在使用中產(chǎn)生大量的諧波電流經(jīng)電力線路產(chǎn)生諧波電壓，使電網(wǎng)電壓發(fā)生畸變，影響其他設(shè)備的正常運(yùn)行，為此需要對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行功率因數(shù)校正。PFC電路形式多樣，可分為單極式PFC和兩極式PFC，單級(jí)式PFC電路只需一次能量變換，因其結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)在中小功率領(lǐng)域中得到大量的應(yīng)用［1］。兩級(jí)式PFC經(jīng)過兩次能量的變換，結(jié)構(gòu)比單級(jí)式PFC復(fù)雜，效率相對(duì)較低，但輸入電流的THD比單級(jí)式的更低，更低的輸出電壓紋波，功率因數(shù)值更高。單級(jí)式PFC以輸出電壓為反饋信號(hào)，控制開關(guān)管的導(dǎo)通，同時(shí)完成對(duì)PFC和DC/DC電路的控制，不可避免使得輸出電容的紋波電壓很大。為了減少紋波需要加大電容容量，在某些工作模式下還要考慮電容器的過電壓問題［2］。為使電容器耐壓值具有足夠余量，符合電路需要，需要不斷提高電容器的電壓等級(jí)，使得電容器體積增大，甚至喪失成本優(yōu)勢(shì)，并且THD值很大，EMC問題較難解決，開關(guān)管的電壓應(yīng)力較大［3］。為此單級(jí)式PFC多用于中小功率對(duì)電能質(zhì)量要求不高的場(chǎng)合。本文將三端口功率集成芯片TOPswitch引入簡化兩級(jí)式PFC電路結(jié)構(gòu)，可以提高電路效率及可靠性。

1　電路結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)

兩級(jí)式PFC電路由功率因數(shù)校正電路和DC/DC變換電路組成。其中由L6562A為控制芯片進(jìn)行功率因數(shù)校正，由TOPswitch227組成的反激式變換器進(jìn)行DC/DC變換，在電路的設(shè)計(jì)中升壓電感和反激式變壓器關(guān)系到電路的效率和穩(wěn)定性。為減小電路對(duì)電力線路的干擾和受電力電路的干擾，需要在電力線路的輸入端加EMC濾波器。

1.1L6562A電路設(shè)計(jì)

L6562A是廣泛應(yīng)用的臨界電流模式PFC校正芯片，可適用于Boost，Buck，F(xiàn)ly-back等多種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。其中Boost拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與其它形式的拓?fù)湫陆Y(jié)構(gòu)相比具有使用元器件少、di/dt變化率小、需要較小的EMI濾波器以及開關(guān)器件共源極容易驅(qū)動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)。L6562A可應(yīng)用于單級(jí)式PFC和兩級(jí)式PFC。應(yīng)用L6562A的兩級(jí)式PFC比單級(jí)式PFC電路結(jié)構(gòu)多一級(jí)，略微復(fù)雜，效率較低。通常開關(guān)電源具有寬電壓輸入的特點(diǎn)，要求100 V～240 V交流輸入。240 V交流電壓的峰值為339.41 V，經(jīng)橋式整流后的峰值電壓約為338 V。L6562A為滿足在不同電壓等級(jí)下的適用性，通過獨(dú)特設(shè)計(jì)使得在交流輸入為265 V、直流輸出為400 V時(shí)具有近似于1的功率因數(shù)。Boost型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)需要滿足輸出電壓與輸入電壓的比值大于一定值，以保證較高的功率因數(shù)值。在輸入電壓為100 V～240 V時(shí)設(shè)定輸出電壓為370 V，為TOPswitch內(nèi)部開關(guān)管提供足夠的電壓裕量。如圖1電路所示，電阻R11，R12采樣前級(jí)輸出電壓，INV端典型電壓值為2.5 V。因INV端有一定的注入電流，使得流進(jìn)R11的電流比流經(jīng)R12的電流略大，電容器C8的電壓比由2.5/R12（R11+R12）計(jì)算的直流電壓值略高。選R11為2 MΩ，R12為13.7 kΩ，使得前級(jí)輸出電壓在輕載到滿載工作時(shí)約為370 V。對(duì)L6562A臨界電流模式PFC前級(jí)電路使用圖1中主電路參數(shù)運(yùn)用MATLAB/Simulink建模仿真，輸入電壓設(shè)為交流220 V，輸出電壓設(shè)為直流370 V。

圖1　兩級(jí)式PFC電路

仿真波形如圖2所示，輸入電流波形為近似正弦波并跟隨輸入電壓變化，對(duì)輸入電流進(jìn)行FFT分析，如圖3所示，諧波含量為6.32%。仿真結(jié)果表明本電路前級(jí)PFC電路功率因數(shù)近似為1并且對(duì)電網(wǎng)的諧波污染較小。

圖2MATLAB仿真波形圖

圖3　輸入電流FFT分析圖

Boost PFC啟動(dòng)時(shí)的會(huì)有電感過電流問題，Boost電路的儲(chǔ)能電容器在啟動(dòng)時(shí)的電壓為零，一般會(huì)在儲(chǔ)能電容器前串聯(lián)一只NTC電阻，來限制沖擊電流。在中小功率開關(guān)電源中常用到NTC5D和NTC10D熱敏電阻。分析時(shí)認(rèn)為在開通的一段時(shí)間內(nèi)NTC電阻因溫升較低而阻值不變，在剛接通電源的瞬間控制芯片還未開始正常工作，不能驅(qū)動(dòng)開關(guān)管，電源整流后經(jīng)電感，二極管，NTC電阻和儲(chǔ)能電容器形成回路，由于電容器電壓從零開始增加，電感開始對(duì)儲(chǔ)能電容充電，電感的電流隨之增加，如果控制芯片啟動(dòng)完畢，驅(qū)動(dòng)開關(guān)管工作，芯片的電流檢測(cè)端子會(huì)檢測(cè)到流進(jìn)電感的電流，而電容器的充電時(shí)間會(huì)持續(xù)數(shù)ms，通常此時(shí)電感電流大于電流檢測(cè)引腳的電流而不能讓其工作，在這個(gè)過程中電感會(huì)一直對(duì)電容器充電，隨著電容器電壓接近輸入電壓，電感的電流不再上升，電流開始減少，如果此時(shí)的儲(chǔ)能電容器電壓不夠高，電感的電流低于電流檢測(cè)端子的檢測(cè)電流時(shí)，管子開始導(dǎo)通，電感電流按

上升，如果電流超過芯片電流檢測(cè)引腳的限定值時(shí)，開關(guān)管關(guān)斷，此時(shí)繼續(xù)對(duì)電容器充電，電感電流按照下式變化。

在電源輸入電壓為0°，30°，60°，90°時(shí)對(duì)電感電流進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4NTC5D電阻電感啟動(dòng)電流波形

圖5NTC10D電阻電感啟動(dòng)電流波形

從上圖中可以看到，除相位角是0°的輸入電流以外其他的輸入電流波形在輸入開始時(shí)都有振蕩的現(xiàn)象，是由于電路突然輸入一電壓，電容器和電感從未儲(chǔ)能到儲(chǔ)能的過渡過程引起的。在相位角為90°附近電路投入時(shí)會(huì)比其它相位角投入時(shí)的沖擊電流要大，應(yīng)使最大沖擊電流小于開關(guān)管和二極管所能承受的最大不重復(fù)峰值電流，但在實(shí)際應(yīng)用中為方便計(jì)算和留有一定的裕量應(yīng)使最大沖擊電流小于開關(guān)管和二極管所能承受的重復(fù)峰值電流，但最大的沖擊電流由于電感的限流和電容的電壓的增加使沖擊電流電流小于×Ui/Rntc，在本電路中選擇NTC電阻為10 Ω，仿真結(jié)果中的最大沖擊電流為28 A，其中本電路選取的開關(guān)管的重復(fù)峰值電流比二極管的要小，為33 A，大于最大沖擊電流。

1.2TOPswitch電路設(shè)計(jì)

TOPswitch是三端口功率集成芯片，內(nèi)部集成振蕩電路，保護(hù)電路，MOS管等模塊，由CONTROL引腳的注入電流控制占空比的變化，大大簡化了外圍電路的結(jié)構(gòu)，減少了元器件數(shù)目，提高了電路的穩(wěn)定性［5］。本文使用TOP227功率集成芯片設(shè)計(jì)輸出24 V，100 W反激式變換器。在TOP227關(guān)斷的瞬間因漏感的存在產(chǎn)生很大峰值電壓，在T1變壓器的輸入繞組用RCD或TVS二極管作為吸收電路，其中TVS二極管組成的吸收電路的能量損耗較小，保護(hù)更佳［6］。本電路中選用了擊穿電壓為200 V的TVS二極管。對(duì)輸出電壓的反饋采用TL431+EL817的電氣隔離反饋方式，設(shè)計(jì)時(shí)按照這樣的原則選擇電阻R15：首先確保滿足TL431的最小陰極電流，然后滿足EL817的最大流入電流和最小電流傳送比［7］。TL431參考端典型電壓為2.5 V，因參考端的典型注入電流為2 μA，為了減小此電流對(duì)電壓的影響，一般應(yīng)使流過電阻R18的電流是TL431注入電流的100倍以上［8］，R18選用電阻應(yīng)滿足

實(shí)際選R18為10 kΩ，可變電阻器VR2可對(duì)輸出電壓進(jìn)行微調(diào)。輸出電壓為

1.3升壓電感及高頻變壓器設(shè)計(jì)

升壓電感設(shè)計(jì)：前級(jí)電路穩(wěn)定后，前級(jí)開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間

前級(jí)開關(guān)管關(guān)斷時(shí)間

升壓電感中的峰值電流

切換頻率

由最小切換頻率計(jì)算升壓電感的最大值

如果L大于電感的最大計(jì)算值，開關(guān)周期就會(huì)變大，影響芯片正常工作，最小切換頻率常為15 kHz。開關(guān)電源的最大輸入電壓為240 V，假設(shè)輸入的最大功率為150 W，則

電感量設(shè)置的過大，電路運(yùn)行時(shí)會(huì)帶來尖銳的刺耳聲，實(shí)驗(yàn)電路中選擇電感為0.7 mH的鐵硅鋁類磁環(huán)以減少損耗。選用NPF130090鐵硅鋁磁環(huán)，電感系數(shù)為91 nH/N2，經(jīng)計(jì)算繞制88匝，考慮高頻時(shí)的趨膚效應(yīng)，需選用半徑為0.15 mm漆包線，8股并繞。輔助繞組流經(jīng)小電流，選擇較細(xì)的漆包線，單股繞9匝。

高頻變壓器設(shè)計(jì)：反激式變換器可工作在CCM及DCM模式，其直流輸入為前級(jí)的輸出370 V，選某一輸出功率附近作為CCM和DCM的分界點(diǎn)，在臨界點(diǎn)時(shí)每個(gè)周期傳送的能量為0.5 LI2PK，取輸出為50 W時(shí)作為臨界分界點(diǎn)［9］，峰值電流Ipk取為1 A，TOP227典型工作頻率為100 kHz，每次傳送0.5 mJ能量，可計(jì)算得L=1 mH。在TOP227關(guān)斷期間

其中n為初級(jí)繞組與次級(jí)繞組匝數(shù)比，Vdf為功率二極管導(dǎo)通壓降，取為1 V，TOP227在關(guān)斷期間承受的電壓為

TOP227內(nèi)MOS管耐壓值為700 V，保留150 V到200 V裕量［10］，取n為6，計(jì)算得Voff=520 V。選NPS130090鐵硅鋁磁環(huán)，電感系數(shù)為91 nH/N2，初級(jí)繞組選0.15 mm半徑漆包線4股并繞105匝。次級(jí)繞組為0.15 mm半徑漆包線12股并繞18匝，輔助繞組用較細(xì)的漆包線單股繞9匝。

1.4EMC濾波器設(shè)計(jì)

因電感電流為三角波，為使輸入電流近似正弦波，需對(duì)電流輸入端加EMC濾波器，共模電感可以濾除共模信號(hào)，并因耦合K不能為1，而具有差模濾波器的作用。此外還需加壓敏電阻和安規(guī)電容。

2　實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

測(cè)L6562A芯片CS引腳的采樣電阻電壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，通過波形圖可得L6562A工作在臨界導(dǎo)通模式。在樣機(jī)的輸入端串1個(gè)0.4 Ω采樣電阻，測(cè)采樣電阻兩端的電壓波形等效觀察輸入的電流波形，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示，輸入電流為50 Hz正弦波形，驗(yàn)證了簡化后兩級(jí)式PFC電路的合理性，并因輸入電流是正弦波形，減少了對(duì)電網(wǎng)的諧波污染提高了功率因數(shù)。

圖6　L6562A的CS端電壓波形

圖7　輸入電流波形

3　結(jié)論

本文在對(duì)比兩種形式PFC電源的基礎(chǔ)上，將TOP227運(yùn)用于兩級(jí)式PFC電路中，簡化兩級(jí)式PFC電路結(jié)構(gòu)，提高電路效率和穩(wěn)定性并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可行性。

［1］楊靜.單相兩級(jí)功率因數(shù)校正技術(shù)的研究［D］.成都：西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，2010.

［2］丁連峰，肖嵐.基于航空交流電網(wǎng)的兩級(jí)PFC技術(shù)的研究［J］.電力電子技術(shù)，2010，44（3）：33-34.

［3］尚永爽，王怡蘋，劉勇.開關(guān)電源的故障預(yù)測(cè)及電解電容器退化研究［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2010，33（11）：102-104.

［4］楊家志，易勝利，蔣存波，等.基于TOPSwitch-Ⅱ的反激式恒流LED驅(qū)動(dòng)電源［J］.電子器件，2014，33（5）：944-948.

［5］呂飛，陳宏鈞，郭福娟.PSwitch-Jx的寬輸入范圍精密儀表電源設(shè)計(jì)［J］.電子測(cè)量技術(shù)，2015，35（4）：32-36.

［6］付賢松，王婷，任夢(mèng)奇，等.新型隔離式PWM調(diào)LED驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)［J］.電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2015，33（1）：75-79.

［7］房緒鵬，郭良兵，李春杰，等.基于UC3842的反激式開關(guān)電源設(shè)計(jì)［J］.山東科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，30（4）：99-104.

［8］董鋒，孟婥，孫以澤，等.光伏系統(tǒng)單端反激式多路隔離輸出電源設(shè)計(jì)［J］.電源技術(shù)，2011，35（10）：1249-1251.

［9］盧佳慧.開關(guān)電源在電子式電能表中的應(yīng)［J］.機(jī)電技術(shù)，2011，34（4）：86-88.

［10］宋萬均，張安堂.一種程控功率因數(shù)可調(diào)開關(guān)電源設(shè)計(jì)［J］.電測(cè)與儀表，2014，51（14）：110-115.

房緒鵬（1971-），男，漢族，山東汶上人，山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化學(xué)院教師，副教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事阻抗源變流器，現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電氣傳動(dòng)、電力系統(tǒng)以及新興能源利用等方面的研究，xpfang69@163.com；

李輝（1992-），男，山東定陶人，碩士研究生，研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)自動(dòng)化。

Research on the Two Stage PFC Circuit Based on L6562A*

FANG Xupeng*，LI Hui，ZHUANG Jianwei，XU Yulin，ZHAO Zhiyuan，XU Wei
（College of Electrical Engineering and Automation，Shandong University of Science and Technology，Qingdao Shandong 266590，China）

Switching power supply is widely used in many fields for its high efficiency，low power consumption，high energy density，and wide range of voltage.However，the input current could not track voltage's change，which contains a large number of odd harmonic currents，which cause a large number of harmonic pollution in the power network.Compare the existing two forms of double-stage and single-stage PFC（Power Factor Correction）power supply，L6562A and TOPswitch227 power integrated chip are used in the two stage PFC circuit，and the structure of the two stage PFC circuit is simplified.The feasibility of the proposed circuit is verified by the experimental results.

two stage PFC；L6562A；fly-back；TOP switch

TN86

A

1005-9490（2016）05-1265-05

項(xiàng)目來源：中國博士后科學(xué)基金（20090261254）

2015-11-05修改日期：2015-12-05

EEACC:623010.3969/j.issn.1005-9490.2016.05.047