TOPSwitch在PFC中的應用

摘要：介紹TOPSwitch在PFC中的應用，討論PFC應用TOPSwitch的優點，給出設計思路、基本電路和元器件參數。

關鍵詞：PWMPFC預補償

PFC Using TOPSwitch

Abstract： In this paper, the use of TOPSwitch in PFC is introduced, the better characters of TOPSwitch used in PFC is discussed, the design idea and the parameters of appliance in the base circuitry are given.

Keywords： PWM PFC Precompensation

1引言

　　功率因數校正（PFC）技術能夠實現各種電源裝置電網側電流正弦化，使電網資源得到充分利用，基本上消除負載對電網、負載對負載之間的高次諧波污染，凈化電網。單相PFC已進入實用階段，實現方式多種多樣，較為常見的有用UC3854為控制IC設計的3kW以下的PFC電路，但該電路較為復雜，外圍元件多，特別是小功率的應用，如150W，該電路就顯得復雜，成本高。本文介紹了用TOPSwitch設計的功率150W以下簡捷的PFC電路設計。

2TOPSwitch在PFC中應用的設計原理

　　TOPSwitch為三端脈寬調制（PWM）開關，實現相同的功能，TOPSwitch外圍元件最少。并且TOPSwitch具有開關電源所有必須的功能，內含功率MOSFET，PWM控制器，內起動電路，環路補償和熱關斷電路。所以它能使電源電路得以進一步簡化，縮短設計時間，此為TOPSwitch設計的最大優點，并且TOPSwitch設計電源電路保證高的電源效率。

　　圖1為一個簡單的應用TOPSwitch設計的升壓型PFC電路，TOPSwitch工作頻率為100kHz，遠高于電網頻率，通過電源濾波器在電網側可以實現正弦輸入電流波形，并且與輸入電壓的波形同相。這個電路在提升電感上產生的波形示意圖如圖2所示。虛線為經過電源濾波器在電網側出現的電流波形。該波形就是開關管工作在電流斷續狀態下產生的。在提升電感、TOPSwitch和提升二極管上的電流IL、IT、ID如圖3所示。在這個電路中IL=IT＋ID，IL的電流波形即為IT和ID電流波形的簡單疊加，圖4為平滑后的理想波形，圖5為實際測試的波形。從圖中可以看出，在固定周期的情況下，它的電流與正弦電流相差較大，經過補償后的輸入電流實際測試波形如圖6所示。總諧波失真（THD）不超過18％，功率因數（PF）為0.978。

圖1應用TOPSwitch設計的升壓型PFC電路

圖2流過提升電感的電流波形示意圖

圖3IL、IT、ID波形

圖4理想波形

圖5實測波形

圖6經補償后的實測電流波形

　　TOPSwitch各開關周期的平均值IT(avg)可用公式（1）和（2）計算出來。公式中T為一個工作周期，IPK為TOPSwitch峰值電流，Uin是各個開關周期整流后交流輸入電壓瞬時值，fS是開關頻率，LP是自感系數。

IT=IPK(T/2)(1)

　　第N個開關周期二極管上電流平均值ID（avg）用公式（3）求出，UO為直流輸出電壓，

　　這兩個平均電流之和為電感電流平均值IL（avg）。交流輸入瞬時電壓，要求一個平均電流值與其對應。這個平均電流值將被作為100kHz開關電流波形的平均值來校正，與其相應的，可采用隨輸入電壓瞬時值調占空比D的方式，即預補償。工作周期T可用公式（5）進行計算。

3預補償原理

　　對MOSFET用恒頻恒占空比控制方式的缺點，如圖7所示，在一個開關周期內IL平均值不隨整流后電壓瞬時值線性變化，即：輸入電壓瞬時值上升后，平均值上升更快。這樣經過電源濾波后，產生如圖4所示的非正弦波形，為了使電流波形進一步正弦化，可以采用預補償的方式，即采用恒頻非恒占空比的控制方式。

　　產生這種結果的原因是：在TOPSwitch的整個工作過程中，提升電感上的電流是TOPSwitch上電流和提升二極管電流的代數和（見公式IL=IT＋ID），TOPSwitch上的電流隨著整流后的輸入電壓呈線性關系，平滑后是正弦電流。可是提升二極管上的電流隨著輸入電壓的升高迅速上升，呈非線性關系，平滑后不是正弦電流。這樣疊加的結果使提升電感上的電流就不是正弦的。因為提升二極管上的電流不受控，所以要想改善提升電感上電流波形，就只能通過控制IC改善TOPSwitch的電流波形，使TOPSwitch上的波形不是一個正弦波，來補償提升二極管不是正弦波的缺陷。這個問題是很多無乘法器的控制IC在boost電路中普遍存在的問題，這些都可以通過預補償的方式得以改善。改善的關鍵就是選擇合適的預補償電阻。

　　在輸入高電壓時減小IT的占空比，這樣使得IL的波形就不再是像圖4所示。經過補償的電流波形如圖6所示，這樣IL的波形已經近似于正弦波，電路原理圖如圖8所示，通過預補償電阻R1和直接輸出電壓檢測電路控制流入TOPSwitch控制腳的電流，使TOPSwitch的調制方式變成恒頻非恒占空比的方式，達到較為理想的PFC。占空比隨瞬時輸入電壓變化呈線性關系，TOPSwitch具有電流線性控制占空比變換器，當流入TOPSwitch控制引腳的電流在2.0～6.0mA范圍內增大時，TOPSwitch的占空比將從67％下降到1.7％，所以通過預補償電阻來控制部分TOPSwitch控制引腳的電流來控制占空比。預補償電阻的選擇是很重要的（后文對預補償電阻的選擇有論述）。當整流后的電壓最低時，TOPSwitch的控制引腳通過預補償電阻R1泄放電流，使流入控制引腳的電流減小，這時TOPSwitch的占空比最大；隨著整流后的輸入電壓的增高，流入TOPSwitch控制引腳的電流

圖7預補償前后TOPSwitch上的電流示意圖

圖8有預補償的應用TOPSwitch的PFC電路原理圖

也將逐漸增加，TOPSwitch的占空比逐漸減小，當輸入電壓達到最高時，TOPSwitch的占空比最小，這就完成了恒頻非恒占空比的控制方式。在示意圖圖7中可以看出，預補償以后，由于TOPSwitch上的電流減小了，使得在提升電感上的電流三角形的面積小于預補償以前的，電流的平均值也就減小了，平滑后的電流波形也就接近正弦波形了，如圖9所示。占空比隨著瞬時輸入電壓的變化而變化。這時THD<7％ ， PF為 0.98。 4 元 器 件 的 選 擇 與 參 數 計 算

　　（1）TOPSwitch的選擇表（見下表）

　　（2）預補償電阻R1的計算

　　可利用公式（6）進行計算預補償電阻R1（kΩ）

R1=APWM/SDV(6)

　　式中APWM是TOPSwitch占空比控制電流增益，為百分之十幾/mA（一般典型值為16％/mA），SDV是測試的交流整流后的輸入電壓與占空比直線的斜率，可定為SDV=－0.067％/V，預補償電阻R1也可以通過曲線計算出來，直流輸出電壓曲線和預補償電阻的關系如圖10所示。

　　（3）電感線圈的計算

圖9有預補償平滑后的電流波形

圖10預補償電阻與直流輸出電壓的關系曲線

　　電感值在設計中是至關重要的，可以通過查曲線的方式得到電感值。電感值的曲線如圖11所示。

圖11提升電感值與輸出功率、直流輸出電壓的關系曲線

5結論

　　150W以下的PFC在各項指標均接近的情況下，用TOPSwitch實現，只用17個元件；用UC3852實現為23個元件；用KA7524實現為27個元件。而且TOPSwitch的電感不需要輔助繞組，電路簡單緊湊。