基于L4891B設計的APFC電路設計

電源是每一個電子設備所必須的重要組成部分。按照國際電工委員會標準IEC 61000—3—2的要求，電子設備輸入電流中諧波電流成分都有一定的限值，小功率電源可以使用簡單的無源功率因數(shù)校正，即可獲得有效的抑制，而大功率電源則普遍使用有源功率因數(shù)校正控制器。作為在較大功率電源中普遍使用的基于L4891B設計的APFC已有諸多介紹，但在實際電源設備的使用過程中，由于工作環(huán)境和使用要求的不同往往會出現(xiàn)這樣或那樣的問題，而限制和影響了它的廣泛使用。鑒于此，針對在此過程中出現(xiàn)的諸多問題進行了深入分析和探討，并提出了一些切實可行的有效解決方案。

1 如何提高效率

現(xiàn)代技術的發(fā)展要求電器設備，既要小巧，又要高效，還要求輸入電壓具有更廣泛的通用性。一個完整的Boost APFC包括全波整流和升壓型DC—DC轉(zhuǎn)換，這種配置的APFC具有許多優(yōu)點：連續(xù)輸入電流和容易提高功率因數(shù)。升壓型拓撲結構通過限制輸入電壓也可以獲得很高的效率，但當輸入電壓范圍變寬后，要維持同樣的高效率就變得有些困難。

為此在實際的應用產(chǎn)品中，采用電路簡單、可靠性較高的3種方法：一是減小半導體二極管的反向恢復損耗；二是用IGBT代替MOSFET，以減小開通損耗；再就是減小交流損耗。

首先，選用一種SiC肖特基二極管，它具有高的溫度特性(最高允許工作溫度達到300℃)，高的反向耐壓，低的導通電阻和高的開關頻率等。以上特點使得開關器件體積縮小，開關頻率的提高也使得。Boost APFC的體積進一步減小。同時它還具有正的溫度系數(shù)，便于在大電流時采用多個二極管并聯(lián)使用，不會造成二極管之間的電流出現(xiàn)不均衡的現(xiàn)象。再有這種二極管的反向恢復時間及反向電流都非常小，并且有非常好的溫度特性，其反向恢復時間不會隨著溫度升高而變化。用它就會減小開關管導通時的開關損耗，從而提高效率。

其次，用IGBT代替MOsFET，一個主要的原因是：MOSFET開關在低輸入電壓時，由于導通器件的漏源極間為導通電阻，使得其導通損耗快速增加，即隨著電流的增大而與電流的平方成正比。而IGBT則是集射極間的幾乎是相同的電壓飽和壓降，因此，其導通損耗相對增加較慢，只與輸入電流成線性關系。這就減小了在寬范圍輸入電壓下的損耗，提高了系統(tǒng)效率。

最后，減小交流損耗，交流損耗的產(chǎn)生主要由電感的紋波電流造成的。絕大部分的損耗來自于磁心本身，并且嚴重依賴于磁心材料本身，為此采用非晶鐵心材料饒制的電感，因為它具有優(yōu)良的恒電感特性和抗直流偏磁能力，且損耗小。不過成本較貴，但對提高Boost APFC效率效果明顯。

經(jīng)過調(diào)整后帶整流橋的Boost APFC的輸入功率與效率的關系，如下圖1所示。





2 如何提高穩(wěn)定性

平均電流控制技術是在峰值電流控制技術的基礎上發(fā)展起來的。在這種控制方式中，乘法器與比較器之間增加了一個電流調(diào)節(jié)器。該電流調(diào)節(jié)器控制輸入電流的平均值，使其與編程信號波形相同，由于電流環(huán)具有較高的增益帶寬，跟蹤誤差小，因此瞬態(tài)特性較好。是目前應用最廣泛的一種控制技術。

這種技術的電壓環(huán)帶寬控制在20 Hz以下，電流環(huán)則要求足夠快以滿足不失真和低諧波的要求。事實是，在實際產(chǎn)品的設計過程中，經(jīng)由理論分析設計的電路在帶阻性負載或者交流變頻壓縮機測試時，工作一切正常。但當帶直流變頻壓縮機這類感性負載工作時，就出現(xiàn)新的不穩(wěn)定現(xiàn)象見圖2，即遇到雙周期分叉現(xiàn)象。





由于在整個設計過程中，存在許多理想假設，例如：假設變換器的輸出紋波很??；假設當通過較大輸出電容時可被忽略，而大電容因其成本高，體積大，在實際中使用中并沒有那么大；假設用輸入電壓有效值代替時變值，忽略其時變的影響等。另外由于PFC的固有屬性，PFC動態(tài)環(huán)路總是用低帶寬進行補償，目的是不對頻率2xfL的紋波產(chǎn)生響應，這里fL指交流電源線的頻率。因此，當負載突變時，調(diào)整電路不能做出快速響應，從而引起輸出電壓波動過大。而穩(wěn)定系統(tǒng)自身可以調(diào)節(jié)擾動，使其重新進入穩(wěn)定運行狀態(tài)；不穩(wěn)定系統(tǒng)無法控制擾動，從而進入不穩(wěn)定運行狀態(tài)。結果出現(xiàn)上述的雙周期現(xiàn)象。

變換器輸出電容上的電壓是由輸入功率與輸出功率的差所形成的，輸入功率由乘法器的輸出電流控制，而乘法器的輸出電流又由前饋電流環(huán)及反饋電壓環(huán)共同決定。電壓前饋可用于補償輸入電壓引起的增益變化，提高回路的穩(wěn)定性和對交流電壓瞬變的瞬間響應性。同時，應有盡可能高的穿越頻率，以實現(xiàn)快速跟蹤性能。應有足夠的穩(wěn)定裕量，使系統(tǒng)有強的魯棒性。

為了解決這個問題，在芯片的外圍設計中采用了增強動態(tài)響應功能。使用高紋波、低等效串聯(lián)電阻(ESR)的電容，重新設計和調(diào)整電壓環(huán)、電流環(huán)網(wǎng)絡參數(shù)，反復試驗，最后得出結論。即：仔細調(diào)節(jié)輸出電壓誤差放大器的輸出，使設計的電流環(huán)的瞬變跟蹤特性變強，變換器在大電流和感性或阻性負載的情況下，皆具有更好的穩(wěn)定輸出電壓的能力，消除了雙周期現(xiàn)象的發(fā)生。功率因數(shù)與其他性能指標正常，未有不良結果產(chǎn)生，達到了預期的目的。