恒导通时间控制的降压型高效率PFC研究

恒导通时间控制的降压型高效率PFC研究

杨剑友吴新科张军明钱照明

（浙江大学，浙江杭州310027）

摘要：在宽范围输入的AC/DC适配器应用场合，同传统的Boost PFC相比，Buck型功率因数校正电路能够在整个输入电压范围内保持一个较高的效率[1]。本文提出了一种工作在临界导通模式的恒导通时间型Buck功率因数校正电路，能够实现主开关的零电压（ZVS）开通。全文分析了电路的工作原理，并给出了实现高效率、低谐波电流的设计方法。同时根据所述的设计原则构建100瓦的Buck功率因数校正器，其输入电流谐波满足IEC61000-3-2（Class D）标准，在整个输入电压范围内（90Vac~265Vac）效率均在96.5%以上。

关键词：功率因数校正；Buck；临界模式；恒导通时间控制

A High Efficiency Step-down PFC with constant on time control

Jianyou Yang, Xinke Wu, Junming Zhang and Zhaoming Qian

（Zhejiang University, Hangzhou, 310027, China ）

Abstract: In universal voltage input application, the buck PFC can achieve high efficiency in the entire universal input voltage range compare to boost PFC[1]. A critical conduction mode (CRM) ZVS buck converter with constant on-time control is proposed in this paper. This paper analyses the operation principle of the circuit and the design methodology and criteria for high efficiency and low harmonics of the CRM buck AC-DC converter are presented. A 100-W prototype designed according to the proposed design criteria shows that the input current harmonics meet the IEC61000-3-2 (Class D) standard and the efficiency is higher than 0.965 during the universal input range.

Keywords：Power Factor Correction; Buck; CRM; Constant-on time control

1 引言

由于目前大多数用电设备中的非线性元件和储能元件的存在会使输入交流电流波形发生严重畸变，网侧输入功率因数很低，为了满足国际标准IEC61000-3-2的谐波要求[2]，必须在这些用电设备中加入功率因数校正电路（Power Factor Correction-PFC）。传统的有源PFC电路一般用Boost拓扑，这是因为Boost电路具有控制容易、驱动简单并且理论上实现输入电流可以完全跟踪输入电压。但是Boost电路具有输出电压高的缺点，而且在宽范围输入（90Vac-265Vac）条件下，在低电压输入时效率会比高压输入时下降1.5%-2%。在小功率AC/DC应用场合(<150W)，降压（Buck）拓扑能够在整个输入电压范围内保持较高效率。更重要的时，由于AC/DC适配器应用中的散热设计都是根据效率最低点来设计的，因此boost功率因数校正器在输入低压时的低效率，成为严重制约适配器的功率密度和效率提高的瓶颈。而Buck拓扑应用在AC/DC时效率不会随输入电压有很大的变化，因此热设计也相对简单，能够实现高的功率密度。

采用Buck电路作为功率因数校正器在文献[3]-[5]中已经被提出，文献中所采用的控制方法都为定频率PWM控制。文献[1]中提出的是电流箝位Buck（clamped-current buck,CCB），其工作原理为普通的峰值电流控制方式加上变斜率的斜波补偿实现。但是在电压峰值附近处电流会处于连续工作状态，造成二极管的反向恢复损耗，而且输入电流的功率因数很难在全电压输入范围内都保持在0.9以上。本文中所述的Buck PFC采用恒导通时间法的临界模式控制（Critical Mode－CRM），使Buck 电感电流下降到零时开通开关管，每个周期导通时间恒定，由于其没有二极管的反向恢复问题，同时在开关管开通前漏源极电压通过结电容与电感的谐振，实现零电压开通，其效率较高。

2 Buck PFC分析与优化设计

2.1 恒定导通时间Buck PFC的控制原理

图1所示为临界模式Buck PFC的系统框图，当过零检测电路检测到电感电流下降到零时开通开

关管，此时比较器的正端锯齿波信号开始上升，当锯齿波信号达到运放的输出电压V EAO的时候，比较器输出高电平，开关管关断。由于锯齿波的上升斜率是恒定的，V EAO在一个工频周期内可以视为固定值，

这样就可以实现了开关管开通时间恒定，关断时间由电感电流下降到零的时间决定。

AC

L

图1 临界模式Buck PFC 的系统框图

2.2 输入电流分析

由于Buck PFC 只有在输入电压高于输出电压才有电流输入，根据Buck PFC 的工作原理，可以得到输入电压电流波形如图2所示：

图2 临界模式buck PFC 的输入电压电流波形

由图可以推导出Buck PFC 输入电流的表达式为：

00/2

(|sin()|),(,2)2|sin()|(|sin()|)()0, πθπθθθπθηθθθ

θ-⎧

∈-⎪⎪-=⎨⎪⎪⎩⎰o im o im im o in P V V V V V d i otherwise （1）

图3所示为计算得到的115Vac

与230Vac 输入情况下100W ，90V 输出时输入电流波形图：

θ

/2π1

2

3

4

输入电流(A )

图3 计算得到的输入电流波形图

对输入电流表达式做傅里叶分析，得到k 次谐波电流的有效值为：

/2

(|sin()|)

I sin()2|sin()|

im o on o

k p im V V t V k d L V πθ

θθθ

θ⋅-⋅⋅⋅⋅（2）

输入电流的功率因数（PF ）与谐波总失真（THD ）为：

PF （3）

THD = （4）

2.3 输出电压设计

由式（3）可以计算出不同输出电压情况下输入电流PF 值，图4所示为输入电压在115Vac 情况下输入电流PF 随输出电压Vo 的变化曲线：

20406080100120

功率因素

0.8

0.85

0.9

0.95

1Vin=115Vac,Po=100W

输出电压 (V)

图4 输入电流PF 随输出电压Vo 的变化曲线

由图4可知，输出电压越高，则输入电流死区时间越大，PF 越低，为了满足“能源之星”中关于115Vac 输入情况下要求PF 大于0.9的要求，一般需要设定输出电压小于100V 。同时由式（2）可以计算buck PFC 的输入电流在不同输出电压情况下的谐波含量。图5所示为输入电流各次谐波随输出电压变化的三维图，其中在输出电压小于100V 的条件下，均可以满足Class D 的标准。

谐波次数

3

5

7

9

11

13

15

()

o V V 谐波含量 (@230V a c )(m A /W )

图5 Buck PFC 各次谐波随着输出电压的三维图