基于ZVS平均电流型500W大功率电路

1 概述

FAN4822是快捷半导体公司为大功率电源应用领域而专门设计的功率因数校正(PFC)控制芯片。它包含了以往用零电压开关控制器来减少二极管恢复时间和MOSFET场效应管开关损耗以实现平均电流型PFC转换所需的全部功能。

FAN4822平均电流型PFC控制电路可提供很高的功率因数，同时它的谐波失真很小。另外，FAN4822控制器还具有欠压锁定、过压保护、峰值电流限制和输入节电保护等功能。

通过FAN4822中的ZVS控制电路可驱动一个由MOSFET、二极管、电感和其它元器件组成的零电压开关电路。同时，通过这一新技术还可以减小二极管的反向恢复时间和MOSFET的开关损耗，并可最大限度地减小EMI电磁干扰。 FAN4822的主要特点如下：

具有平均电流检测、持续推动、前沿触发等特点;

具有很低的整体谐波失真和接近于理想的(98%以上)效率;

片内ZVS开关控制器可在大功率应用时响应高效、快速;

可通过降压控制方式来对平均线电压进行补偿;

内含增益调节器，可改善电路的噪声性能，同时可提供通用的输入操作;

内含过电压比较器，可有效防止输出短路或 负载开路;

具有欠压锁定功能，同时具有电流限制和软启动功能;

具有1.3%的内部精密参考源。

2 引脚功能

FAN4822具有14脚DIP和16脚SOIC两种封装形式，图1所示是其两种封装的引脚排列图。各引脚的功能如下：

VEAO：电压跨导型误差放大器输出端;

IEAO：电流跨导型误差放大器输出端;

ISENSE：器件内部PFC限流比较器的电流检测输入端;

IAC：内部PFC增益调节器参考输入;

VRMS：线性电压补偿输入端;

RTCT：用于连接内部振荡器;

ZVSENSE：内部高速零电压交叉比较器的输入端;

GND：模拟信号接地端;

PWRGND：PFC和ZVS驱动输出转换控制端;

ZVSOUT：ZVSMOSFET驱动输出;

PFCOUT：PFCMOSFET驱动输出;

VCC：电源端;

REF：内部7.5V电压参考缓冲输出;

FB：电压跨导型误差放大器输入端。

3 结构原理

通常情况下，输入电压范围宽的PFC升压型转换器由于其开关损耗的增加，往往要损失很大的输出功率。而使用零电压开关(ZVS)技术则可大大减少功率MOSFET的开关损耗，从而较大地改善大功率PFC电路的工作效率。因此，设计时可以再用一个较小的MOSFET和一个电感储能元件来完成ZVS功能，以将PFC的MOSFET管的开关损耗转换成有效的输出功率。

FAN4822的内部结构原理框图如图2所示。该器件的基本功能是提供功率因数校正，可对连续平均电流模式进行控制的直流总线电压进行调节。与Micro Linear公司的PFC/PWM系列控制器件一样，FAN4822也使用上升沿脉冲宽度调制的方法来减少系统的噪声并使频率同步到PWM中的一个下降沿，以实现尽可能高的直流总线电压宽度。但是，FAN4822与Micro Linear公司的此类器件所不同的是：FAN4822将ZVS FET开关的控制电路集成到了FAN4822芯片之内，因此，FAN4822所控制的开关损耗可以达到最小。

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4 应用电路

4.1 典型应用电路

图3是一个通过FAN4822来实现大功率PFC电路的输出和控制部分电路的简单示意图。图中， Q1为用于PFC的主开关MOSFET管，而Q2则用来实现ZVS功能。对于每一个工作周期，Q2都在Q1之前导通，这样，电流将从L1流向L2，从而使L2中的电流增加，直到与流过L1的电流相等，把这一时刻定为t2。

当L1中的电流和L2中的电流相等后，L1将停止为L2再注入电流，此时L2中所聚集的电荷将流向Q2。也就是说，从t2时刻开始，Q1上的电压将开始下降，Q2上的电压上升，直到t3时刻，Q1上的电压降到其最低点而使Q2关断并使Q1导通。这样，对于储能电感L1来说，Q1实际上就起到了一个普通PFC开关的作用。然而，需要说明的是：在Q1关断期间，储存在L2中的能量将通过D2完全地注入到储能电容C1之中，从而达到零电压开关(ZVS)补偿的目的。图4所示是该电路的有关波形。

图5 基于FAN4822的500W PFC电路

4.2 基于FAN4822的500WPFC电路

图5是由FAN4822组成的一个500W的零电压开关PFC电源电路。该电路能够输出400V的直流和开关电压。电路设计中增加了一个TC4427放大器作为Q1的前级推动，以进一步增大Q1的输出功率。L2的电感值选择与负载的总线电压VBUS、FAN4822的VRMS端的补偿输入电压最小值VRMS(MIN)、电路的输出功率POUT以及FAN4822的开关时间参数有关。本电路中L2的电感值选择8.5mH，C1则选择330μF/450V的电容器。其余各主要元件的参数和选择可参考图5来设计。有兴趣者也可参考有关资料[1]。