选择正确的PFC解决方案

摘    要：本文用一种创新的方法提出了四种功率因数校正(PFC)电路设计。两种临界导通模式(CRM) 升压，一种连续导通模式 (CCM) 升压和一种CCM 单段回扫，并且推荐了基于功率要求、效率、失真程度、电路板空间和成本限制的解决方案。

引言
IEC1000-3-2要求电源中的功率因数预转换器的额定值为75W或更高。功率低于100W时， CRM是最适合的方法，而对高于200W的功率水平 ，一般采用CCM方法。本文提出的解决方案围绕在 150W左右 ，这正是以上两种可用的方法的灰色区域。
本文介绍了四种PFC电路的设计，CRM升压，CRM跟随器升压(输出电压随着输入电压而改变)，CCM 升压以及CCM回扫。基于功率、效率、失真程度，电路板空间以及成本等方面的要求，用户可以选择最能满足他需要的解决方案。分析的内容包括如何选择主要的功率元件，以及各种解决方案的取舍问题。

PFC 预稳压器设计实例
首先要解决PFC段的主要功率元件问题。设计要求如下：
通用的输入电压范围:  85~265Vac；
稳压输出电压:  CRM 和CCM升压转换器是400V，CRM跟随器升压转换器是200~400V，单段是12V；
额定输出功率:  150 W (2 段方法)，120 W (1段方法)；
线路频率: 50/60 Hz；
效率: >90 %；
最大开关频率:CRM为476kHz，CCM为100kHz。
这些规格决定了对选择电路元件的主要要求，如电感的尺寸、MOSFET的选择、输出整流器和输出二极管等等。表1列出了每种拓扑结构中使用的主要功率元件的特性。

电感/变压器 
CRM 中P1 和P2电感的设计是一个挑战，因为峰值电流会引起更高的导通损耗，设计基于最小线路电压和最小开关频率时的最大纹波电流。交流线路峰值时的最小开关频率要高于可以听见的范围。
设计CCM 电感时，建议调整L 的值，使纹波电流最小，同时限制它的尺寸，以减小电路板占位面积。一般，最大的纹波电流峰-峰值为峰值电感电流的20%~40%是可以接受的。另外，选择电感的最小推荐值可使得电感尺寸变小，但使开关峰值电流更高，纹波电流更大，而且输出纹波电压也会增大。
如表1所示，首先，如果考虑低的电感值，似乎P2 是最便宜和最紧凑的电路板设计。但是，如前所述，由于大电流纹波使得P2的电感要经受大的磁通变化，所以在选择磁芯时要特别小心。设计电感时，减小DCR 来降低导通损耗也是很重要的。比较两种CRM PFC方案，P1 和 P2的电感值的区别证明，在相同的条件下，跟随器升压方案允许使用更小的电感。要获得最紧凑的电路板设计，P3 是最佳的解决方案。因为它工作在CCM模式，所以它需要处理的峰值电流最小。因此，这种设计可使用最小的磁心——EER28，从而可以制成很小的电感。
P4 采用了回扫变压器，把第一段的升压电感和第二段的两开关正激变压器结合起来。这是所有四种设计中最大和最昂贵的磁性元件。但是，和传统的实现升压PFC加DC-DC段方法所需的三个磁性元件相比，用这种方法节约了两个磁性元件。为了挑选合适的磁性元件，必须做一些取舍，或者是优化设计降低MOSFET和输出二极管的损耗，或者对磁性元件优化以降低加到MOSFET上的电压和减少变压器及缓冲器中的损耗。较少匝数比有利于在初级形成较高的峰值电流，以及在输出整流器上施加较高的正向电压。相应的，它会减少次级反射到初级的电压大小，以及减少MOSFET漏极上的漏感脉冲尖峰。较高的变压器匝数比有利于漏感，磁心和线圈损耗，以及较高的漏极到源极的电压和输出电容纹波电流。另一方面，大匝数比可使小初级电流能够支持负载。因为MOSFET中的功耗和Ip2 x RDS(on) 成正比，初级电流的细微减小会引起功耗的大幅度下降。另外，它导致低的次级电压，并减小截止状态时加在次级二极管上的电压。因而可以选择一个反向电压额定值低的输出整流器，这很重要，因为较低的VR二极管有较低的正向压降。二极管损耗正比于IF