分析90W反激式单级PFC变换器原理与设计

　　引言

　　单级PFC的基本拓扑及其工作原理在《电源技术应用》等学术期刊中，已有许多文章对其进行了介绍。尽管单级PFC电路仪需一个功率升关，电路拓扑简单，效率较高，但单级PFC的实用电路却非常少见。众所周知，用于两级PFC电路的控制器lC品种和型号非常多，相关设计技术早已十分成熟，而单极PFC专用控制器芯片，长时间没有问世。迄今为止，单级PFC控制IC仅有两款：一个是数字单级PFC控制器iW2202，另一个则是安森美半导体公司推出的NCPl651。NCPl65l是一种适用于反激式拓扑的单级PFC控制器。基于NCPl65l的反激式隔离变换器，可提供中、高DC输出电压和50～250W的输出功率，满足IEC1000-3-2谐波电流限制要求，并能将初级侧电压限制在700V之内。

　　1 NCPl65l的结构与主要特点

　　NCP1651采用16引脚SOIC封装，其中引脚14和15未连接。NCP1651的芯片电路组成与NCPl650的内部结构存在很多相同之处，其内部结构框图如图1所示。

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　　NCP165I的各个引脚功能见表1。

　　NCPl65l是一种固定频率平均电流模式PWM单级PFC控制器，被用作驱动工作在连续导电模式（CCM）或不连续导电模式（DCM）的反激变换器拓扑，并编程平均输入电流跟随AC线路电压。利用平均电流模式控制CCM算法，可以限制峰值初级电流，提供接近于1的功率因数。NCP1651内置高压启动电路，可直接连接到桥式整流器输出端工作。在IC开始工作后，高压启动电路截止。

　　NCPl651的推出，标忐着单级PFC技术开始在中、低功率电平上进入了实用化阶段。

　　2 基于NCPl65l的90W单级PFC变换器原理与设计

　　2.1 基于NCPl65I的90W通用输入单级PFC变换器电路及其工作原理

　　由NCPl651组成的90W通用输入单级PFC反激式变换器电路如图2所示。该变换器的AC输入线路电压范围为85～265V.DC输出电压为48V，工作在CCM方式。

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　　在系统加电之后，桥式整流器（D1～D4）输出经D7对电容C16充电。当C16上的电压达到17V的门限电平时，IC1（NCPl651）脚16导通，内部高压启动电路中的电流源从脚13流出，对连接在变压器T1偏置绕组（⑦与⑤之间）上的电容C21充电。在TC1开始工作后，内部高压启动电路则截止。IC1的振荡器频率由脚3上的电容C3值确定。在C3=470 pF的条件下，开关频率为100 kHz。

　　S1源极电阻R5用作感测初级电流。在S1漏极上连接的阻尼电路中，D13和D14为瞬态电压抑制（TVS）二极管。前者击穿电压为214V，后者击穿电压为68V。IC1脚8上连接的晶体管Q1等组成外部关闭电路。次级侧的IC3（MC3303）为四运算放大器芯片。其中，lC3B作为误差放大器使用，lC3D被配置成差分放大器，IC3A和IC3C分别配置为输出欠电压和过电压比较器。IC2（TL431）为lC3B的同相端（脚5）和IC3A的反相输入端（脚2）提供2.5V的参考电压。输出电压（U0）经R33、R23和R24、R25组成的分压器分压，将误差放大器IC3B反相输入端（脚6）上的电压设置在2.5V。

　　电压调节环路的工作过程是：当输出电压低于其额定值（48V）时，在IC3B脚6上的电压将低于脚5上2.5V的参考电压，致使TC3B输出电压增加，光耦合器LED电流减小，从而引起光耦合器晶体管电流减小，IC1脚8上的电压升高。而IC1脚8上电压的提高，使内部参考乘法器输出增加，NCPl65l的PWM占空比增加。

　　欠电压比较器IC3A为光耦合器IC4提供驱动。在出现欠电压情况时，IC3A输出变低，IC4中LED电流减小，使NCPl651进入高占空比状态，迫使输出电压升至欠电压限制电平以上。

　　过电压比较器IC3C的输出与IC3B的输出进行“或”运算。在过电压情况下，IC3C输出变为OV，使IC4中LED电流达到值，占空比减小到零，直到输出电压降至过电压限制电平以下。

　　IC3D被配置成差分放大器，用于感测DC输出电流，提供一个经二极管进行“或”运算的信号进入反馈分压器。过载电流限制被设置在满载的125％，即（P0/U0）1.25=（90/48）×1.25=2.34A。电阻R31和R32用作感测输出电流，R29、R30用作设置电流感测放大器增益。放大器增益为：

　　G=（R29/R30）+1=（3kΩ/0.3kΩ）+1=11

　　放大器输入电压为：2.34A×（R31+R32）=2.34×0.14Ω=0.33V。差分放大器输出电压为：0.33V×G=0.33V×11=3.63V。

　　当输出负载电流增加时，电流感测放大器输出也相应增加。当放大器输出电压与_二极管D12的电压降之差值高于2.5V时，误差放大器IC3B反相输入端上的电压被拉高，IC3B输出电压降低，IC4中LED电流增大，lC4中晶体管电流相应增加，NCPl65l脚8上的电压降低，占空比减小，从而实现限流过载保护。

　　2.2 主要元件的选择

　　在功率元器件选择时，需要考虑初级侧电流。当变换器在CCM工作时，电流波形如图3所示。

　　在MOSFET（S1）导通期间，电流在初级侧流动。在MOSFET关断期间，电流在次级侧流动。

　　2.2.2 变压器的选择

　　变压器T1是反激变换器中的关键元件。变压器初级与次级绕组之间的匝数比n=Np/Ns，直接影响初级侧的电压值。为了减小漏感产生的尖峰脉冲电压，应尽可能降低变压器漏感。

　　电子变压器除了体积较小外，在电力变压器与电子变压器二者之间，并没有明确的分界线。一般提供50Hz电力网络之电源均非常庞大，它可能是涵盖有半个洲地区那般大的容量。电子装置的电力限制，通常受限于整流、放大，与系统其它组件的能力，其中有些部分属放大电力者，但如与电力系统发电能力相比较，它仍然归属于小电力之范围。

　　各种电子装备常用到变压器，理由是：提供各种电压阶层确保系统正常操作；提供系统中以不同电位操作部分得以电气隔离；对交流电流提供高阻抗，但对直流则提供低的阻抗；在不同的电位下，维持或修饰波形与频率响应。「阻抗」其中之一项重要概念，亦即电子学特性之一，其乃预设一种设备，即当电路组件阻抗系从一阶层改变到另外的一个阶层时，其间即使用到一种设备-变压器。变压器又有其做试验而用的，是试验变压器，分别可以分为充气式，油浸式，干式等试验变压器，是发电厂、供电局及科研单位等广大用户的用来做交流耐压试验的基本试验设备，通过了国家质量监督局的标准，用于对各种电气产品、电器元件、绝缘材料等进行规定电压下的绝缘强度试验

　　为了减小输出反射到初级的电压，选择匝数比n=4，初级Np=76匝，次级Ns=19匝。为了减小漏感。选择TDK SRW42EC-U04H1/4宽窗口磁心，以减少绕组层数。同时，为了增强耦合，初级与次级绕组交错是有利的。具体绕制方法是：先绕初级的45匝（一层），接着绕次级19匝，然后再绕初级剩下的3l匝。按该法绕制，漏感仅为9μH。初级绕组的电感值Lp=1 mH。

　　如果把76匝初级绕组分两层绕完后再绕次级绕组19匝，漏感值将增加到37μH。

　　2.2.3 功率MOSFET（S1）的选择

　　MOSFET）是一种可以广泛使用在模拟电路与数字电路的场效晶体管（field-effect transistor）。MOSFET依照其“通道”的极性不同，可分为n-type与p-type的MOSFET，通常又称为NMOSFET与PMOSFET，其他简称尚包括NMOS FET、PMOS FET、nMOSFET、pMOSFET等。

　　MOSFET的选择，首先应确定其额定值电压（VDS）。在MOSFET关断期间，漏极与源极之间的峰值电压为：

　　式中：Uin（max）=265V；

　　Uf为次级整流二极管（D5）的导通压降，Uf=0.7V；

　　Uspke为漏感产牛的尖峰脉冲电压，选择

　　Uspike=130V，有足够的安全余量。

　　将已知数据代入式（4）得：

　　S1可选择SPAlIN80C3型N沟道MOSFET，其额定电压UDS=800V，额定电流ID=11A，导通态电阻RDS（on）=4.5Ω。

　　要使增强型N沟道MOSFET工作，要在G、S之间加正电压VGS及在D、S之间加正电压VDS，则产生正向工作电流ID。改变VGS的电压可控制工作电流ID。

　　若先不接VGS（即VGS＝0），在D与S极之间加一正电压VDS，漏极D与衬底之间的PN结处于反向，因此漏源之间不能导电。如果在栅极G与源极S之间加一电压VGS。此时可以将栅极与衬底看作电容器的两个极板，而氧化物绝缘层作为电容器的介质。当加上VGS时，在绝缘层和栅极界面上感应出正电荷，而在绝缘层和P型衬底界面上感应出负电荷（如图3）。这层感应的负电荷和P型衬底中的多数载流子（空穴）的极性相反，所以称为“反型层”，这反型层有可能将漏与源的两N型区连接起来形成导电沟道。当VGS电压太低时，感应出来的负电荷较少，它将被P型衬底中的空穴中和，因此在这种情况时，漏源之间仍然无电流ID。当VGS增加到一定值时，其感应的负电荷把两个分离的N区沟通形成N沟道，这个临界电压称为开启电压（或称阈值电压、门限电压），用符号VT表示（一般规定在ID＝10uA时的VGS作为VT）。

　　2.2.4 输出电容器的选择

　　输出电容Co值由式（5）确定：

　　式中：TH为所需保持时间，即AC线路的周期时间，TH=1／50Hz=O.02s；

　　Uo（min）为输出电压，选择Uo（min）=33V。

　　将相关数据代入式（5）得：

　　Co用两个1500μF/63V的电容并联而成，即在图2中，C22=C23=1500μF。

　　2.2.5 电流感测电阻R5的选择

　　电流感测电阻R5的计算公式是：

　　电路中其它元件，可根据NCPl65l的芯片电路组成和电气参数确定其数值。

　　3 结语

　　基于单级PFC控制器NCPl651的90W通用输入反激式变换器，仪需用一个功率开关和较少量的元件，就能获得高输入功率因数和低输入电流THD。从85V到230V的AC输入和从无载到满载变化时，输出电压调节率小于O.02％，输出电压纹波仅为2VP-P。NCPl651为设计分布式电源获得单级PFC和步降变换，提供了行之有效的创新方案，改方案操作更简单、方便。