新型低成本CCM功率因素校正控制器的应用

本文介绍了一种新型的连续调制模式(CCM)功率因素校正(PFC)控制器，该控制器可以在从空载到满载的很大变化范围内工作，并具有开环保护、输出过压保护以及交流电源欠压保护等功能。该芯片适合于低成本的连续调制模式功率因素校正电路设计，解决传统CCM PFC电路对电网的干扰问题，提高电源可靠性和效率。

用于电子设备前端的传统二极管整流器会因电源线的脉冲电流对电网线电压产生干扰，并产生向四周辐射和沿导线传播的电磁干扰，导致电源的利用效率下降。近几年来，为了符合国际电工委员会61000-3-2的谐波标准，有源PFC电路越来越受到人们的关注。对于小于200瓦的小功率装置，不连续调制模式(DCM)因其低廉的价格受到普遍欢迎。此外，由于其控制电路块中只有一个电压控制环，因而采用DCM的PFC设计更简便。

然而，由于它的电流纹波较大，DCM很少应用于大功率场合。在大功率场合，基于连续调制模式的PFC更具优势。在CCM的拓扑结构中，它的传输函数存在电压环和电流环两个控制环路，因而其控制电路设计复杂，CCM PFC控制器的管脚数目也较多。为了降低设计成本和难度，我们开发了ICE1PCS01 PFC控制器，该电路根据故障模式影响分析(FMEA)集成了很多保护电路。

工作原理

传统的CCM PFC电路结构如图1所示。可以看出，在传统的PFC电路存在两个控制环：一个是电压环用于调整输出电压；另外一个是电流环，用于控制输入电流。误差放大器的输出V_err决定了输入电流I_in的幅值大小，V_err乘以正弦波参考信号|V_in|得到正弦输入电流。在传统的CCM PFC中，|V_in|是必不可少的，它用于产生电流控制环中的正弦波输入电压。

ICE1PCS01 PFC控制器的一个典型应用如图2所示。该芯片仅有8个管脚，没有直接馈入芯片的正弦波传感信号。

该芯片的基本原理如下所述。假设电压环正处于工作状态，输出电压保持恒定，则一个CCM升压型PFC控制系统的MOSFET关断占空比D_OFF可以由下面的公式得到：

D_OFF=V_IN/V_OUT

从上面的公式可知，D_OFF正比于V_IN。电流环的目的在于调整电感电流的平均值，使得它正比于关断占空比D_OFF，从而正比于输入电压V_IN。这个关系式可以通过前边沿调制方式实现。

电路的斜坡信号由内部振荡器产生，斜坡信号的幅值一方面受内部的控制信号控制，但另一方面却可以影响线输入平均值电流的幅值。

增强动态响应

由于PFC的固有属性，PFC动态环路总是用低带宽进行补偿，目的是不对频率为2×f_L的纹波产生响应，这里f_L指的是交流电源线的频率。因此，当负载突变时，调整电路不能作出快速响应，从而引起输出电压波动过大。为了解决这个问题，在芯片中采用了增强动态响应功能。一旦输出电压超出正常值的5%，IC将跳过慢补偿运算放大器，直接作用于内部非线性增益块而影响占空比，输出电压能够在一个短时间内回复到正常值。图3所示为实现增强动态响应的控制模块。

ICE1PCS01的额定输出电压是400V直流，当输出电压达到420V，开关立刻截止。输出电压的过冲被限制在额定电压的5％以下，输出过冲电压保护也采用同样的控制策略。当V_sense下降到4.75V，也就是比额定电压低5％时，IC立刻响应，门驱动的占空比立刻增加，电压降被控制在40V以内。

软启动功能

该IC具有高效的软启动功能，因而可以控制启动电流，使其输入电流幅度连续而渐进地上升到较高的值，直至输出电压达到额定电压的80%，然后进入正常的控制模式。相对于一般的软启动系统而言，该系统仅控制占空比，输入电流保持正弦变化，不激活峰值电流限幅功能。因此，升压二极管不会受到因高占空比而形成的大电流的冲击，否则，该电流将可能危及升压二极管，尤其是对碳化硅升压二极管的影响更大，因为碳化硅二极管的峰值电流承受能力更小。

保护功能

根据故障模式影响分析，芯片中集成了很多保护功能，例如开环保护、输出过压保护、交流电源欠压保护、IC电源欠压保护、峰值电流限幅和软过电流限幅等。下面将详细介绍开环保护和输出电压保护这两种独特的保护功能。

1. 开环保护(OLP)/输入欠压保护

开环意味着反馈环被断开，没有反馈信号进入IC。在这种情况下，如果没有保护措施，内部的控制电压将会被调节到最大值，IC将提高占空比以传送最大功率。在这种故障情况下，输出电压仅仅取决于输出电流。在负载较小的情况下，将会产生很高的电压过冲，这将危及到后面的用电设备。该IC具有开环保护以对输出电压进行监控，如图4所示。一旦V_SENSE电压低于0.8V，也就是V_OUT低于额定电压16%时，就意味着进入了开环状态(V_SENSE管脚没有连接)，或者输入电压小于额定值。在这种情况下，芯片中绝大多数模块将停止工作。该保护功能是通过阈值电压为0.8V的比较器C3实现的。一旦出现开环故障，MOSFET门开关立即停止工作，输出电压没有过冲。

该保护也可用于在某些情况下关闭PFC，例如待机模式等。

2. 输出过压保护(OVP)

增强动态响应模块也具有输出过压保护功能。一旦V_OUT超过额定电压5%，输出过压保护功能就被激活。通过判断V_SENSE管脚的电压是否大于参考电压5.25V就可以实现该功能，V_SENSE电压高于5.25V时，IC会跳过正常的电压环控制而直接控制占空比，使占空比立刻下降到0。这将导致输入功率下降，从而使得输出电压V_OUT下降。

测试结果

用一个350W的测试板来检验其性能，测试电路如图5，开关频率设定为200kHz。

在1/4满载的情况下，功率因数仍超过90%。另外，PFC变换器也可以在空载的情况下提供稳定的输出电压。

作者：Junyang Luo, Meng Kiat Jeoh, Ming Lik Yew，Heng Cheong Huang

Email: Junyang.Luo@infineon.com

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