1引言
為了減少對(duì)交流電網(wǎng)的諧波污染，國(guó)際上推出了一些限制電流諧波的標(biāo)準(zhǔn),，如IEC 1000- 3-2,，它要求開(kāi)關(guān)電源" title="電源">電源必須采取措施降低電流諧波含量。
為了使輸入電流諧波滿足要求,，必須加入功率因數(shù)校正（PFC" title="PFC">PFC）,。目前應(yīng)用得最廣泛的是PFC級(jí)＋DC/DC級(jí)的兩級(jí)方案，它們有各自的開(kāi)關(guān)器件和控制電路,。這種方案能夠獲得很好的性能,，但它的缺點(diǎn)是電路復(fù)雜，成本高,。
在單級(jí)" title="單級(jí)">單級(jí)功率因數(shù)校正變換器[1]中,，PFC級(jí)和DC/DC級(jí)共用一個(gè)開(kāi)關(guān)管和一套控制電路,，在獲得穩(wěn)定輸出的同時(shí)實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正。這種方案具有電路簡(jiǎn)單,、成本低的優(yōu)點(diǎn),，適用于小功率場(chǎng)合。本文介紹了一種單級(jí)PFC變換器的基本原理及其設(shè)計(jì)" title="設(shè)計(jì)">設(shè)計(jì)過(guò)程,。
2單級(jí)PFC變換器
單級(jí)PFC變換器的原理圖如圖1所示,，是一種基于脈寬調(diào)制（PWM）的變換器。變換器的PFC級(jí)采用Boost電感電路,，而DC/DC級(jí)采用雙管單端正激電路結(jié)構(gòu),。
PWM集成芯片采用了UC3842，是一種電流型控制的專(zhuān)用芯片,，具有電壓調(diào)整率高,、外圍元器件少、工作頻率高,、啟動(dòng)電流小的特點(diǎn),。其輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)隔直電容，連接在驅(qū)動(dòng)變壓器" title="變壓器">變壓器原邊,。驅(qū)動(dòng)變壓器采用副邊雙繞組結(jié)構(gòu),，得到兩路同相隔離的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)了 DC/DC級(jí)的雙管驅(qū)動(dòng),。
變換器的過(guò)流保護(hù)由電阻R9檢測(cè)到開(kāi)關(guān)管的過(guò)流信號(hào),，封鎖UC3842的輸出信號(hào),，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù),。電壓負(fù)反饋控制由電阻R12和R13獲得輸出電壓信號(hào)。
變換器的工作原理簡(jiǎn)述如下：當(dāng)變換器接通電源時(shí),，輸入交流電壓整流后的直流電壓經(jīng)電阻R17降壓后,，給UC3842提供啟動(dòng)電壓。進(jìn)入正常工作后,，二次繞組N3提供UC3842的工作電壓（12 V）,；繞組N2的高頻電壓經(jīng)整流濾波，由TL431獲得偏差信號(hào),，經(jīng)光耦隔離后反饋到UC3842,，去控制開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通與截止，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓的目的,。在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期Ts內(nèi),，控制Boost電感工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式（DCM）下，使得輸入電流波形自然跟隨輸入電壓波形,，從而實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正,。
3變換器的設(shè)計(jì)
3.1 EMI濾波器的設(shè)計(jì)
EMI濾波器能有效地抑制電網(wǎng)噪聲,，提高電子儀器、計(jì)算機(jī)和測(cè)控系統(tǒng)的抗干擾能力及可靠性[2],。單級(jí)PFC變換器的PFC級(jí)工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式下,，其輸入電流波形為脈動(dòng)三角波，因此其前端需添加EMI濾波器以濾除高頻紋波,。
EMI濾波器電路如圖1所示,，包括共模扼流圈（亦稱(chēng)共模電感）和濾波電容。共模電感主要用來(lái)濾除共模干擾,，其電感量與EMI濾波器的額定電流有關(guān),。本文中的單級(jí)PFC變換器的額定電流為1 A，取共模電感值為15 mH,。濾波電容C11和C13主要濾除串模干擾,，容量大致為0.01μ F～0.47 μ F。C14和C15跨接在輸入端,，并將電容器的中點(diǎn)接地,，能有效抑制共模干擾，容量范圍是2200 pF～0.1 μ F,。
3.2功率器件的選取
變換器的開(kāi)關(guān)器件一般均選用功率場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）,，依據(jù)輸入最高電壓時(shí)輸出最大電流的要求來(lái)確定其電壓與電流等級(jí)，并預(yù)留有1.5～2倍的電壓和2～3倍的電流裕量,。在單管變換器中,，開(kāi)關(guān)器件的電壓UCEO通常可按經(jīng)驗(yàn)公式選取
式中：Udmax為漏源極的最大電壓,；
D為占空比,。
開(kāi)關(guān)器件的電流按高頻變壓器一次繞組的最大電流來(lái)確定。本文中,，由于采用雙管電路結(jié)構(gòu),，每個(gè)開(kāi)關(guān)管所承受的電壓為UCEO的一半，故選用耐壓500 V,、電流8 A的IRF840,。變換器中PFC級(jí)的二極管選用了超快速恢復(fù)二極管，而DC/DC級(jí)整流輸出端選用肖特基整流二極管,，以減小二極管的壓降,。
3.3變換器電感的設(shè)計(jì)
在單級(jí)PFC變換器中，為了實(shí)現(xiàn)功率因數(shù)校正,，通?？刂芇FC級(jí)的Boost電感工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式；而為了提高變換器的率，DC/DC級(jí)一般采用連續(xù)導(dǎo)電模式,，在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi),，通過(guò)L1和L2的電流如圖2所示。為了使Boost電感工作于DCM,，則有
式中：RL為變換器的負(fù)載電阻,；
L1為Boost電感值；
Ts為變換器的開(kāi)關(guān)周期,；
D為占空比,；
η為變換器的效率；
UC1為中間儲(chǔ)能電容上的電壓,；
Uo為輸出電壓,。
為了使得DC/DC級(jí)工作在連續(xù)導(dǎo)電模式下，則有
式中：L2為DC/DC級(jí)的儲(chǔ)能電感值,。
在本文中,，要求Ts=8.33 μ s，D=0.2,， Uo=16 V,，RL=2.133 Ω，UC1=380 V,。故選取L1=100 μH,，L2=20μH。
功率因數(shù)校正的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示,。圖中,，第一條波形是交流輸入電壓經(jīng)整流橋后的電壓波形，第二條波形是流經(jīng)Boost電感L1的電流波形,，近似于正弦波,。實(shí)驗(yàn)得到的功率因數(shù)為0.97。
3.4高頻變壓器的設(shè)計(jì)
高頻變壓器是變換器的核心元件,，它的性能好壞不僅影響其本身的發(fā)熱和效率,，而且還會(huì)影響到變換器的技術(shù)性能和可靠性。
1） 磁芯的選用
本文的負(fù)載設(shè)計(jì)為Uo=16V,，Io=7.5A，由高頻變壓器的二次繞組N2繞組提供,。而繞組N3提供UC3842的工作電源,，其輸出功率很小，可忽略,。由設(shè)定條件可知,，高頻變壓器的輸出功率為
給出的輸出功率與磁芯尺寸的關(guān)系，選用了PQ32－30磁芯，其有效截面積為167mm2,。
2） 繞組匝數(shù)的確定
變壓器初級(jí)繞組電壓幅值UP1為
式中：UC1是變壓器輸入直流電壓(等于中間儲(chǔ)能電容上的電壓),；
ΔU1是變壓器初級(jí)繞組的電阻壓降與開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通壓降之和，在實(shí)際計(jì)算中可以忽略,。
變壓器二次繞組N2的電壓幅值UP2
式中：ΔU2是變壓器二次繞組的電阻壓降與整流管的壓降之和,。
初級(jí)繞組匝數(shù)N1為
式中：f是開(kāi)關(guān)頻率（120 kHz）；
ΔBm是磁通增量,，此處取ΔBm=0.15T,。
二次繞組N3提供UC3842的12V工作電壓，其匝數(shù)由下式得到
式中：UP3為二次繞組N3的電壓幅值,。
4結(jié)語(yǔ)
應(yīng)用脈寬調(diào)制集成控制芯片UC3842構(gòu)成的單級(jí)PFC變換器,，具有電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn),。不僅獲得穩(wěn)定的輸出,，而且實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正。