...wd......wd......wd...-DCM/CCM臨界控制的APFC電路設計標準標準編碼：版本：V1.0密級：機密安圣電氣研究管理部執筆人:高擁兵頁數：共15頁DCM/CCM臨界控制的APFC電路設計標準2000年6月22日發布 2000年6月22日實施深圳市安圣電氣前言本標準于2000年6月22日首次發布。本標準起草單位：二次/工業電源研究部、研究管理部技術管理處本標準執筆人：高擁兵本標準主要起草人：趙林沖、朱品華、李曉、董曉鵬本標準標準化審查人：劉善中本標準批準人：華麟本標準修改記錄：更改信息登記表標準名稱:DCM/CCM臨界控制的APFC電路設計標準標準編碼:版本更改原因更改說明更改人更改時間目錄摘要..............................................................5縮寫詞/關鍵詞/解釋........................................................51.來源...........................................................52.適用范圍...................................................53.標準滿足的技術指標〔特征指標〕...........................54.詳細電路圖...............................................55.工作原理簡介...........................................66.設計、調試要點.......................................77.局部PCB幅員〔可選項〕...........................................118.元器件明細表(詳見附錄)............................................119.附錄...........................................................13附錄1.元器件明細表...............................13附錄2.應用反例〔可選項〕.......................................15摘要：本標準介紹了一種DCM/CCM臨界連續控制方式的APFC電路，該電路一般應用于中小功率AC/DC電源整流模塊中〔75W-1000W〕，作為前置變換器，起輸入功率因數校正作用。關鍵詞：DCM/CCM臨界控制，APFC縮略詞解釋CCM：ContinuousCurrentMode，電感電流連續模式DCM：DiscontinuousCurrentMode，電感電流斷續模式APFC：ActivePowerFactorCorrection，有源功率因數校正1.來源本標準中的電路來源于GSM3.0AC/DC模塊S2T24M1M1單板，已經在GSM3.0AC/DC模塊中得到的批量使用驗證，與之相關的外圍單元電路有輸入EMI電路、后級雙管正激DC/DC變換電路。2.適用范圍該單元電路可用于交流輸入的中小功率整流模塊中〔75-1000W〕，如一次電源10A整流模塊，工業電源的GSM3.0和HR工程，UPS的充電器等。3.標準滿足的技術指標〔特征指標〕本單元電路在GSM3.0AC/DC電源的PFC電路得到驗證。該電源的規格為：輸入：AC150V~280V輸出：DC407.5V開關頻率：變頻方式，滿載時最低工作頻率為34KHz。輸出功率：900W〔MAX〕實際的測試結果說明，220V輸入條件下，輸入電流的THD值在5%以內，輸入電流諧波滿足IEC1000-3-2〔A〕標準要求。功率因數大于0.99，效率為97.3%。4.詳細電路圖圖1單元電路原理圖5.工作原理簡介EMBED圖2電感電流和MOSFET驅動波形電路原理圖和工作波形示意圖分別如圖1，圖2所示。PFC主電路采用通用的BOOST形式，從圖中可知其工作原理為：利用電阻R102，R114，R184，R185檢測PFC電感T101電流，與基準相比較，當電流到達正弦基準電流〔為輸入電壓信號與電壓環誤差放大器輸出的乘積〕時，產生一個關斷信號斷開功率管Q102，隨之PFC電感電流下降，當電路檢測到電感電流過零時，產生一個開通信號開通Q102，從而保持電感電流始終工作于連續和斷續的臨界狀態，工作波形示意圖如圖2所示。PFC電感電流的峰值包絡線跟隨電流基準信號，是一個與輸入電壓同相的正弦波形。通過差模電感L101和電容C113，C174將PFC電感的峰值電流濾為平均值，就在輸入端得到一個與輸入電壓同相的正弦電流。通過臨界連續控制方式，可方便實現單位輸入功率因數，并因二極管D101的電流過零關斷可消除其反向恢復損耗和寄生振蕩，使變換器的控制更加簡單，效率得到提高。6.設計、調試要點設計中的關鍵在于PFC電感的設計，需綜合考慮輸入電壓范圍、輸出功率、最低工作頻率、輸出電壓等參數設計。6.1GSM3.0AC/DC模塊DCM/CCM臨界控制APFC電路詳細設計計算6.1.1技術參數：輸入電壓：AC150V～280V輸出電壓：DC407.5V輸出功率：0～900W效率：≥0.97(150VAC輸入時大于0.95〕6.1.2Boost電感計算：6.1.2.1電感量選取由于電感工作在斷續與連續邊界方式，峰值電感電流為：功率管開通時間為(1)電流基準為(2)將〔2〕代入〔1〕式得(3)由以上推導過程可知，由于功率管導通時加在PFC電感上的電壓和峰值電流基準波形相似，因此功率管的開通時間與輸入電壓相角無關。由于PFC電感工作于臨界連續方式，那么有變換得(4)(5)將(3)代入(5)得那么變換得設最低工作頻率為33KHz，那么，最終調整值為：190uH6.1.2.2電感設計采用雙磁芯E42/21/15，其，取Bmax=0.35T，那么有，取N=30匝正常工作時電感最大電流為動態時電感電流峰值為20A，對應最大磁感應強度為0.356T，低于鐵氧體磁芯的一般飽和限值0.4T。正常工作時輸入電流有效值為電感電流最大有效值為采用16*33#銅線4股并繞30匝。導線截面積為，最大電流密度為3.65A/mm2。6.1.2.3電流過零檢測繞組設計功率管關斷時，PFC電感繞組最高電壓為最大輸出電壓，也即PFC輸出過壓點，為1.08Vo=439V；最低電壓為。 MC33368控制的電流過零檢測典型閥值為1.2-0.2=1.0V，選取電感電流過零檢測繞組為3匝，匝比為1∶10，驗算繞組參數如下：設模塊最高輸入過壓保護點為295Vac，那么輔助繞組上最高電壓為，最低電壓為。取電流過零檢測回路中串聯電阻為22K，那么最大鉗位電流分別為，，滿足±5mA的檢測電流限制要求。在150-280Vac的正常輸入工作電壓范圍內，PFC電感電流過零檢測繞組在電流過零前的最低電壓為11.5/10=1.15V，大于典型閥值1.0V，可保證在輸入電壓范圍內正確檢測電流過零信號。當輸入電壓超出此范圍時，將可能檢測不到正確的電流過零信號，此時PFC電路也可工作，但將不能保證DCM/CCM臨界工作狀態，在輸入電壓峰值點處〔典型值為大于398V時〕，電感電流將可能處于連續工作方式。6.1.3電流檢測電阻在小功率應用中，功率管的電流檢測可利用串聯電阻來實現，電阻的取值需考慮工作電流峰值和控制芯片的過流保護點，驗算如下：功率管工作電流峰值即為PFC電感電流峰值，為17.9A。MC33368電流檢測峰值點為1.5V。在正常工作范圍內實現電流檢測，要求。為了限制動態時功率管的峰值電流，該電阻取值不能太小，實際選取四個0.3歐/3瓦的金屬膜電阻并聯使用，這樣功率管動態時的最大峰值電流為。6.1.4功率管的設計選取：功率管的電流有效值為穩態工作時功率管的峰值電流為17.9A，動態工作時功率管的峰值電流為20A。功率管的電壓峰值為PFC輸出過壓保護點電壓。功率管可選擇IXYS公司的IXFH32N50或APT公司的APT5015BVFR/APT5015BVR〔500V32ARd=0.15)6.1.5二極管二極管平均電流：二極管峰值電流為:17.9A，二極管的峰值電壓為439V。由于實現了輸出整流二極管的軟恢復，因此對其反向恢復性能要求較低，可選取IXYS公司的：DSEI30-06A〔600V/37A/1.4V/35ns)6.1.6輸出濾波電容設輸出電容能夠維持10ms，輸出電壓跌落至380V。847uF該電容工作時耐壓407.5V，最大可能電壓439V，取兩個450V，390uF的電解電容并聯，在電容上并470K，2W的放電電阻。6.1.7整流橋后電容電容兩端最大電壓為417V，當輸入電壓為150Vac時，忽略輸入差模電感紋波電流，該電容輸出峰值電流為最大輸出為設電容最大為±20V，那么有由于該電容中流過很大的紋波電流，選取ESR較低的電容，實際選取兩個/聚丙烯電容并聯，最大為±18.5V。6.1.8輸入差模濾波電感輸入差模電感的作用是濾除PFC電感電流中的高頻分量，設電感紋波電流小于±1A，那么要求實際選取電感為210uH，采用一個環形鐵粉芯磁芯CA132-26，兩個繞組差模方向繞制，分別接入輸入相線和零線，線徑為Ф1.2mm，匝數均為22匝。磁芯型號為CA132-26，，，繞線最大電流密度為6.1.9驅動電路功率管的驅動采用對管推挽驅動方式，驅動的對管分別選為2N4401，2N4403，驅動電阻Rg=5.1歐。6.1.10吸收電路在DCM/CCM控制方式下，功率管關斷峰值電流較大，其幅值為輸入電流峰值的兩倍，在輸入或輸出動態跳變時關斷電流峰值會更大。為保證功率管安全工作，需要加吸收電路。 RC吸收具有電路形式簡單，吸收效果較好等優點。設功率管關斷時間為100ns，那么有，經過實驗確定吸收電路參數為，。6.2整機指標變化時的相應調整方法當電路的參數發生變化，如輸入電壓范圍，輸出電壓值，輸出功率等參數發生變化時，可根據第6.1中計算方法設計選取相應參數。6.3PCB布板考慮因素6.3.1 由于該電路采用峰值電流控制方式，電流采樣信號對于干擾很敏感，需注意電流采樣信號回路，盡量減小其長度和面積。6.3.2布板時盡量減小D101陽極與Q102漏極之間的連線長度，以減小線路寄生電感、降低Q102電壓尖峰。6.3.3D103應靠近Q102放置，以有效抑制功率管柵極震蕩負壓。6.3.4在滿足安規要求的前提下盡量減小功率回路面積，以減小EMI干擾。7.局部PCB幅員〔可選項〕8.元器件明細表參見附錄1?元器件明細表?9.附錄附錄1.元器件明細表元件位置序號MRPII編碼主要參數廠家型號第二供應商及型號第三供應商及型號L10110011070210uH-9A萬興S2T24M1L3金駿T10110011072190uH-20A海光S2T24M1L1萬興G101，G10215030010600V/6ARECTRONRS605Q10215060072500V/32AIXYSIXFH32N50APTAPT5015BVFRQ1011505000240V/0.6AMOTOROLA2N4401Q1031505000340V/0.6AMOTOROLA2N4403D10115010075600V/30AIXYSDSEI30-06D10315010020100V/1AIR11DQ10MOTOROLAMBR1100D1411504002418V/1WMOTOROLA1N4746AC113，C17408030123630V/1uF廈門法拉CBB20-630V-105-KC1010801004025V/100uFNICHICONUPL1E101MEHNCCC1020803014763V/0.1uF自貢雙峰CL21X-63-100nJC170080300611000V/330pF成都宏明C12-D1000V-330pFC17308030030630V/0.01uF廈門法拉CL21-630V-103-KF10C109，C11008010339450V/390uFNICHICONLLU2W391MHLCR102，R114R184，R185070106650.3/3WKOASPRX3T631A0.3JR1830701066133/3W四川永星RY21-3W-33-JKOAR109070105845.1/W四川永星RJ14-1/4W-5.1-FKOAR11007010656470K/2WKOASPR2T52A470KJR113070105592K/W四川永星RJ14-1/4W-2K-FKOA控制電路參數見DCM/CCM臨界模式的APFC控制電路設計標準。〔分頁〕附錄2.應用反例〔可選項〕3.8.1驅動電路開場預研時PFC功率管采用如圖4所示的驅動電路，加電工作時出現MC33368的電壓基準不穩的問題，導致PFC輸出電壓不穩，紋波達數十伏，需要在MC33368的基準端外接電壓基準對其強制穩壓后才能正常工作。MOTOROLA公司工程師建議在MC33368的驅動信號輸出及地之間接一個肖特基二極管，以抑制可能出現的負壓對控制芯片CMOS電