手把手教您如何设计3通道交错式CCM升压PFC（上篇）

 

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交错式升压功率因数校正 (PFC) 转换器可以通过负载均流来提高效率，因此它已成为高功率应用的首选拓扑。通过在多个平衡相位中分担负载电流，可以显著减小每相的 RMS 电流应力、电流纹波和升压电感大小。因此，重载效率显著提高，从而允许选择高性价比的功率 MOSFET 和升压二极管，并有利于延长电源的使用寿命。

   

FAN9673 先进 PFC 控制器是实现高功率 PFC（数千瓦以上）的出色解决方案。FAN9673 是一款连续导通模式 (CCM) PFC 控制器，用于三通道交错式升压型预调节器。

 

FAN9673 整合了用于实现前沿调制、平均电流模式、升压型功率因数校正的电路，可实现完全符合 IEC61000-3-2 [WC1] 规范的电源设计。FAN9673 还具有创新的通道管理功能，支持根据 CM 引脚上的电压平稳地加载/卸载从通道的功率电平，从而改善 PFC 转换器的负载瞬态响应。

 

本文将介绍使用 FAN9673 的 3 通道交错式 CCM 升压 PFC 的实际设计注意事项，其中包括设计升压电感和输出滤波器、选择元器件、实现平均电流模式控制的过程，然后通过实验性 5 kW 原型转换器验证该设计过程。图 1 所示为 PFC 变换器的典型应用电路。

 

图 1. FAN9673 的典型应用电路

 

 

 设计过程

本部分以图 1 所示原理图为参考来介绍设计过程。设计示例选择 5 kW 额定输出功率、三通道 CCM 交错式 PFC，使用欧洲输入范围（高压单范围）。设计规格如下：

 

表 1. 设计规格

 第1步  估算输入额定功率和输出电流

整个系统由三个并联升压 PFC 级组成，如图 2 所示，因此 PFC 级的输入功率为：

（公式1）

其中 η 是 PFC 级的综合效率。

 

PFC 级的输出电流由下式确定：

（公式2）

 

每个升压级的输出电流由下式确定：

（公式3）

图 2. PFC 级配置

   设计示例

（公式4）

（公式5）

（公式6）

（公式7）

 第2步  频率设置

FAN9673 的内部振荡器频率由 RI 引脚上的外部电阻 R_RI 决定。开关频率由定时电阻 R_RI决定，计算公式为：

（公式8）

 

保证开关频率范围为 18 kHz ~ 40 kHz 和 55 kHz ~ 75 kHz。

   设计示例

选择 20 kΩ 的 R_RI 以获得 40 kHz 开关频率。

（公式9）

 

第3步 V_IN 范围和 R_IAC 设置

FAN9673 使用 IAC 引脚检测线路电压的峰值，如图 3 所示。线路电压峰值由峰值检测电路使用采样保持法获得。同时，通过检测经 R_IAC 流入 IAC 引脚的电流来获得瞬时线路电压信息。

 

RIAC 应根据输入电压范围加以选择。对于通用交流输入 (85 V ~ 264 V)，V_VIR 应设置为 < 1.5 V，R_IAC 应选择 6 MΩ。如果输入为高压单范围交流输入 (180 V ~ 264 V)，V_VIR 应设置为 > 3.5 V（最大值为 5 V），R_IAC 应选择 12 MΩ。V_VIR 应根据交流输入范围确定。V_VIR 的设置会影响增益调制器的增益、R_DY 引脚迟滞和加电/掉电迟滞。

 

（公式10）

 

V_VIR 可根据下式设置：

（公式11）

 

图 3. 线路检测电路

 

 设计示例

该 PFC 专为高压单范围交流输入 (180 V ~ 264 V) 而设计。R_IACRIAC 应选择 12 MΩ，R_VIR 为：

（公式12）

 

对于 180 V ~ 264 V 的交流输入范围，R_VIR 选择 470 kΩ。

 第4步  PFC电感设计

升压开关在线路电压峰值时的占空比由下式确定：

（公式13）

 

那么，升压电感在最小交流线路电压峰值时的最大电流纹波为：

（公式14）

 

在最小交流输入的线路电压峰值时，升压电感电流在一个开关周期内的平均值由下式确定：

（公式15）

 

图 4. 电感电流

 

对于给定电流纹波系数 (KRF=DIL/ILAVG )，升压电感值可通过下式获得：

（公式16）

 

升压电感的最大电流为：

（公式17）

   设计示例

在最小交流输入的峰值时（假设它是 PFC 掉电电压），升压电感电流在一个开关周期内的平均值由下式确定：

（公式18）

 

 

升压电感可通过下式获得：

（公式19）

 

升压电感的最大电流为：

（公式20）

 第5步  输出电容设计

图 5. PFC 输出电压纹波

 

选择 PFC 输出电容时应考虑输出电压纹波。图 5 显示了输出电压上的线路频率纹波。对于给定输出纹波规格，输出电容的值可以通过下式获得：

（公式21）

 

 

其中 I_OUT-TOT 是升压 PFC 级的标称输出电流，V_PFC-RIPPLE 是峰峰值输出电压纹波。

 

确定输出电容值时还应考虑保持时间：

（公式22）

 

其中 P_OUT-TOT 是升压 PFC 级的标称输出功率；t_HOLD 是所需的保持时间，V_PFC-MIN 是保持期间允许的最小 PFC 输出电压。

   设计示例

峰峰值电压纹波规格为 V_PFC 的 5%，故电容应为：

（公式23）

 

假设一个周期 (15 ms) 压降期间的最小允许输出电压为 300 V，则电容值应为：

（公式24）

 

本例中的 PFC 输出电容选用 3 个并联的 680 mF 电容。在此设计示例中，三通道 PFC 的目标应用是家用电器电源，因此没有保持时间要求。

 第6步  输出检测和 PVO 设置

为了提高系统效率，FAN9673 集成了可编程 PFC 输出电压功能 (PVO)。如图 6 所示，当 PFC 输出电压远高于交流输入的峰值电压时，用户可以从 MCU 向 PVO 引脚发送直流信号以降低 PFC 输出电压。

 

建议将 PFC 输出电压设置为至少比交流输入的峰值电压高 25 V。此外，还需要考虑与 PFC 输出电压调节密切相关的其他因素，例如保持时间、PF 和输入电流的 THD 标准。

 

V_PVO 与调节 PFC 输出电压的反馈电压目标值之间的关系为：

（公式25）

 

对于低交流输入，一旦确定了所需 PFC 输出电压 V_PFC2，所需直流电压电平 V_PVO 可通过下式确定：

（公式26）

图 6. 两级 PFC 输出模块

   设计示例

将 PFC 输出电平设置为 393 V，R_FB3 = 23.7 kΩ：

（公式27）

 

对于低交流输入 200 V，设置 V_PFC2 = 350 V，所需 V_PVO 为：

（公式28）

 

PVO 功能用于改变 PFC 的输出电压 V_PFC，它应至少比 V_IN 高 25 V。

 

第7步  电流检测和限流

图 7. PFC 控制电路

 

图 7 所示为 PFC 控制电路。控制电路设计的第一步是考虑电压环路的控制窗口以选择 PFC 转换器的电流检测电阻。FAN9673 使用了线路前馈，因此消除了控制信号中的输入电压项，输出功率与电压控制误差放大器的输出 V_VEA 成正比，如下式所示：

（公式29）

 

P_OUT−MAX项应根据增益调制器在 V_VEA-SAT 时生成的最大电流命令来计算。它可简化如下：

（公式30）

 

R_M 是乘法器的输出电阻，用于将电流命令转换为电压型信号。G_MAX 为 2，是根据内部控制环路的系数和在 P_OUT-MAX 条件下预先假设的 V_VEA 电平（4~5V 左右）得出的。

   设计示例

每个 PFC 级的最大功率限值设置为 2.167 kW（每通道满负载的 130%），电流检测电阻可通过下式获得：

（公式31）

 

选择 15 mΩ 电阻。

图 8. ILIMIT 和 ILIMIT2 功能

 

FAN9673 有三个限流因素可防止输出过流和电感饱和：V_EA、V_ILIMIT 和 V_ILIMIT2。V_EA 控制平均输送功率。V_ILIMIT 箝位增益调制器生成的最大电流命令。V_ILIMIT2 设置逐脉冲限流。我们在设计 R_CS 时已处理了 V_EA。ILIMIT 和 ILIMIT2 引脚从 RI 引脚提供镜像电流。用户可以通过连接这两个引脚上的电阻 RLIMIT 和 RILIMIT2 来设置限流阈值 V_ILIMIT1 和 V_ILIMIT2。

 

图 9.  ILIMIT 的内部模块

 

一般来说，在提高输出功率期间，V_ILIMIT 应在 V_ILIMIT2  之前触发，因为 ILIMIT2 用于防止电感饱和损坏开关。

 

通常将 PFC 级的最大功率限值设置为满负载的 120% ~ 150% 左右，同时 V_VEA 约为 4 ~ 4.5 V。

 

电阻 R_ILIMIT 可以通过下式计算得出：

（公式32）

 

其中“3”为 FAN9673 的通道数，1.8 为选择的箝位比。

 

关于 ILIMIT2 电平的选择，用户可以使用最大功率的 150% 作为设置值。它用于保护开关器件。用户也可以使用半导体器件的最大电流额定值降额 10% 到 20% 后作为限值。ILIMIT2 设置通过下式获得：

（公式33）

   设计示例

（公式34）

 

选择 f_SW= 40 kHz。镜像 I_ILIMIT2 和 I_ILIMIT 为：

（公式35）

（公式36）

（公式37）

 

选择 10 kΩ 电阻来设置 V_ILIMIT2。

 

V_ILIMIT 的设置通过下式获得：

（公式38）

 

R_ILIMIT 选择 30 kΩ 电阻。

   

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