本帖最后由 金坷居士 于 2013-12-13 22:48 编辑

作者日: 此帖乃原创 绝非翻译(窝有的地方语法有点像英语了>_<)

好久没来撸帖纸咯 这次给民那带来1只叫做主动功率因数校正系统的家伙 (自行脑补 APFC娘

APFC的功能最主要的让整流部分的功率因数接近1 降低线路谐波电流 降低线路波形失真 保护电网环境
由于APFC在95%以上采用Boost 输出电压比输入电压的峰值高 一般产品为380-410V 个别产品可达 430V甚至450V
输入电压可以是85-265V 世界上任何市电 110V 220V输入都可以 就算咱们国家农村电网低电压情况比如160V也一样可以稳定工作
由于Boost在输入电压越低时占空比越大 开关管的电流有效值也越大 所以 大压差的boost的效率不是很理想 因此出现了输出电压追随技术为了缩小输入和输出的电压差(Follower Boost Mode)来提高效率 不过窝今日不和民那讨论介个

Boost的APFC 可以分为BCM工作(有时候叫DCM)和CCM工作 和常规的Boost变换器类似
BCM的整流管没有反向恢复问题 因为电感电流会过0 0电流关断啊 但是电感和MOS还有二极管的峰值电流大 同功率下有效电流比CCM的大 因此通常用于中小功率场合
BCM为了维持临介状态需要变频驱动 另外需要0电流点检测 功率电感上会有个零电压检测绕组
CCM中的电感电流波动不大 因此需要比DCM和BCM都大的电感量 但是通过电感和mos的峰值电流不大 同功率下有效电流相对小 因此导通损耗最小 但是整流二极管如果速度慢（恢复时间过长）会导致额外的损耗（需要考虑的哦） 频率高时甚至需要采用昂贵的高速碳化硅二极管 尽管如此Kw级别的APFC都采用了CCM模式工作
此外 还有交错的PFC 两路同时分担功率 提高效率
由于工频整流桥在大功率时会损耗1%-3%的效率 高科技的无桥PFC也在研究之中

一种比较奇特的APFC是单级APFC 他采用反激结构 能实现功率因数校正的同时达到隔离降压的目的 比先APFC升压再降压的方案节约成本 不过 效率一般 EMI不容易控制 而且仅限于小功率场合 目前在LED驱动 电池充电领域已经开始应用 不过窝们暂时不讨论

常见单相APFC控制芯片：
BCM：L6562
交错BCM：UCC28060
CCM：UC3854（元老级别） L4981（同样元老级别 外部元件略多） NCP1653 NCP1654 UCC28019
交错CCM：UCC28070
单级PFC：NCP1651

上面讨论的都是单相的APFC 对于三相的APFC情况则要复杂的多 因为三相电的接法有星形和Y型
Y型更类似于单相APFC 大功率产品通常采用星形 即三相三线制 没有中线 因此控制策略比较复杂
目前各半导体公司没有推出针对三相APFC的专用芯片 因此这一领域目前是DSP和高性能单片机的天下
三相APFC电压高 功率大 控制策略复杂 算法难度大 对可靠性要求高
种种技术难关对工程师们提出了严峻的挑战 因此 目前三相APFC属于绝对的先进开关电源

唉唉 貌似说远了 其实APFC离大家也不遥远
下面将展示下窝进行的1500W全范围输入的APFC实验
输入电压: 85-265VAC
输入频率:50/60Hz
理想输出电压: 400V
最大输出功率:1500W

为了简单起见 本实验采用元件比较少的NCP1654BD2R2G控制器
这是一颗SOP8封装的芯片 有8跳腿
它带有输出稳压 输入过压欠压保护 输出过压欠压保护 逐周期电感峰值电流保护(电流模式) 热保护
更重要的是 它内置1.5A图腾柱输出 无需采用外部图腾即可驱动功率管 可以进一步节约成本
NCP1654家族有65K 133K和200K三种开关频率可选 本次因为功率大 选用65K的 较低频率可以降低mos和二极管的开关损耗



电路图来了

电路分为EMI滤波器 辅助电源 APFC控制器和功率电路4个部分 重点APFC控制器 当然其他的也不能爆bug

辅助电源： 一路隔离 一路不隔离 不隔理的给APFC控制器供电 隔离的给后级控制器和风扇供电 反馈在隔离绕组上 因此隔离绕组要有一定负载才能确保不隔理绕组电压的稳定 1个普通风扇足够 为了让两个绕组电压一致 必须耦合好 采用三层绝缘线并绕 同时不降低绝缘性

APFC控制器：参数用ON的计算表计算 自己再用PDF里公式核算 结果基本一致 相信ON的准确性>_<
图上的TC4422实际没装 因为感觉NCP1654的1.5A驱动能力驱动3个2400pF的mos应该可以了

好了 说重点 布线！这个可能被很多同学忽视 不过 这里非常重要！

看着不错啊 有模有样的 很可惜 它只能被当作艺术品
主要原因是 控制芯片靠大di dt区域太大啦 带负载之后被干扰没话说

于是 窝根据ON的NCP1654演示板子布线和UC28019的推荐布线 设计了本板

这个板子采用了单面板 体积大了些 为了方便制作和调试 也为了检验布线规则

下面重点说明一下mos的匀流和地线的艺术

mos的匀流非常的重要 在110V电网情况下 mos的电流比较大 如果电流不平均则可能会炸单个mos
从布线做起 图上的红色三角代表了mos开启时的电流强度 越高电流越大 这样布线 过每个mos的电流的路径一样长 就是这样

在之前的12V100A实验中窝吃过这样的亏 所以 这次长记性了

逻辑地和功率地的接法也很有讲究：
XXXXS驱动地线尽量不要和大电流线路太多重合
2.逻辑地和功率地要接于一点 避免功率地噪声的影响
3.芯片周边元件的地汇聚在控制器GND脚  如下图:


顺便说下 电感的菊花那个方向干扰最大 一定不能直接对着控制电路 就算有5-6cm也不行

于是呢 做出来是这个样子 山寨感十足啊

只装1个TO220的mos
下面是输入234V带1800W的场景 已经超载 因此进入电压跟踪模式 设定400V 现在只有383V

工作近1分钟 散热器温热 二极管轻微热 整流桥比较热
负载功率 电压
0W    403V
500W 409-411V
1200W 402-403V
1500W 398-400V
1800W 383V

不过100V输入遇到麻烦了 带500W负载 同样散热器管子很快发热 调压器发出巨大声音 还在积极解决中 请各位期待


连载中....