基于ZVS平均電流型500W大功率電路

1 概述

FAN4822是快捷半導(dǎo)體公司為大功率電源應(yīng)用領(lǐng)域而專門設(shè)計(jì)的功率因數(shù)校正(PFC)控制芯片。它包含了以往用零電壓開關(guān)控制器來減少二極管恢復(fù)時(shí)間和MOSFET場(chǎng)效應(yīng)管開關(guān)損耗以實(shí)現(xiàn)平均電流型PFC轉(zhuǎn)換所需的全部功能。

FAN4822平均電流型PFC控制電路可提供很高的功率因數(shù)，同時(shí)它的諧波失真很小。另外，F(xiàn)AN4822控制器還具有欠壓鎖定、過壓保護(hù)、峰值電流限制和輸入節(jié)電保護(hù)等功能。

通過FAN4822中的ZVS控制電路可驅(qū)動(dòng)一個(gè)由MOSFET、二極管、電感和其它元器件組成的零電壓開關(guān)電路。同時(shí)，通過這一新技術(shù)還可以減小二極管的反向恢復(fù)時(shí)間和MOSFET的開關(guān)損耗，并可最大限度地減小EMI電磁干擾。 FAN4822的主要特點(diǎn)如下：

具有平均電流檢測(cè)、持續(xù)推動(dòng)、前沿觸發(fā)等特點(diǎn);

具有很低的整體諧波失真和接近于理想的(98%以上)效率;

片內(nèi)ZVS開關(guān)控制器可在大功率應(yīng)用時(shí)響應(yīng)高效、快速;

可通過降壓控制方式來對(duì)平均線電壓進(jìn)行補(bǔ)償;

內(nèi)含增益調(diào)節(jié)器，可改善電路的噪聲性能，同時(shí)可提供通用的輸入操作;

內(nèi)含過電壓比較器，可有效防止輸出短路或 負(fù)載開路;

具有欠壓鎖定功能，同時(shí)具有電流限制和軟啟動(dòng)功能;

具有1.3%的內(nèi)部精密參考源。

2 引腳功能

FAN4822具有14腳DIP和16腳SOIC兩種封裝形式，圖1所示是其兩種封裝的引腳排列圖。各引腳的功能如下：

VEAO：電壓跨導(dǎo)型誤差放大器輸出端;

IEAO：電流跨導(dǎo)型誤差放大器輸出端;

ISENSE：器件內(nèi)部PFC限流比較器的電流檢測(cè)輸入端;

IAC：內(nèi)部PFC增益調(diào)節(jié)器參考輸入;

VRMS：線性電壓補(bǔ)償輸入端;

RTCT：用于連接內(nèi)部振蕩器;

ZVSENSE：內(nèi)部高速零電壓交叉比較器的輸入端;

GND：模擬信號(hào)接地端;

PWRGND：PFC和ZVS驅(qū)動(dòng)輸出轉(zhuǎn)換控制端;

ZVSOUT：ZVSMOSFET驅(qū)動(dòng)輸出;

PFCOUT：PFCMOSFET驅(qū)動(dòng)輸出;

VCC：電源端;

REF：內(nèi)部7.5V電壓參考緩沖輸出;

FB：電壓跨導(dǎo)型誤差放大器輸入端。

3 結(jié)構(gòu)原理

通常情況下，輸入電壓范圍寬的PFC升壓型轉(zhuǎn)換器由于其開關(guān)損耗的增加，往往要損失很大的輸出功率。而使用零電壓開關(guān)(ZVS)技術(shù)則可大大減少功率MOSFET的開關(guān)損耗，從而較大地改善大功率PFC電路的工作效率。因此，設(shè)計(jì)時(shí)可以再用一個(gè)較小的MOSFET和一個(gè)電感儲(chǔ)能元件來完成ZVS功能，以將PFC的MOSFET管的開關(guān)損耗轉(zhuǎn)換成有效的輸出功率。

FAN4822的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原理框圖如圖2所示。該器件的基本功能是提供功率因數(shù)校正，可對(duì)連續(xù)平均電流模式進(jìn)行控制的直流總線電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)。與Micro Linear公司的PFC/PWM系列控制器件一樣，F(xiàn)AN4822也使用上升沿脈沖寬度調(diào)制的方法來減少系統(tǒng)的噪聲并使頻率同步到PWM中的一個(gè)下降沿，以實(shí)現(xiàn)盡可能高的直流總線電壓寬度。但是，F(xiàn)AN4822與Micro Linear公司的此類器件所不同的是：FAN4822將ZVS FET開關(guān)的控制電路集成到了FAN4822芯片之內(nèi)，因此，F(xiàn)AN4822所控制的開關(guān)損耗可以達(dá)到最小。

4 應(yīng)用電路

4.1 典型應(yīng)用電路

圖3是一個(gè)通過FAN4822來實(shí)現(xiàn)大功率PFC電路的輸出和控制部分電路的簡單示意圖。圖中， Q1為用于PFC的主開關(guān)MOSFET管，而Q2則用來實(shí)現(xiàn)ZVS功能。對(duì)于每一個(gè)工作周期，Q2都在Q1之前導(dǎo)通，這樣，電流將從L1流向L2，從而使L2中的電流增加，直到與流過L1的電流相等，把這一時(shí)刻定為t2。

當(dāng)L1中的電流和L2中的電流相等后，L1將停止為L2再注入電流，此時(shí)L2中所聚集的電荷將流向Q2。也就是說，從t2時(shí)刻開始，Q1上的電壓將開始下降，Q2上的電壓上升，直到t3時(shí)刻，Q1上的電壓降到其最低點(diǎn)而使Q2關(guān)斷并使Q1導(dǎo)通。這樣，對(duì)于儲(chǔ)能電感L1來說，Q1實(shí)際上就起到了一個(gè)普通PFC開關(guān)的作用。然而，需要說明的是：在Q1關(guān)斷期間，儲(chǔ)存在L2中的能量將通過D2完全地注入到儲(chǔ)能電容C1之中，從而達(dá)到零電壓開關(guān)(ZVS)補(bǔ)償?shù)哪康?。圖4所示是該電路的有關(guān)波形。

圖5 基于FAN4822的500W PFC電路

4.2 基于FAN4822的500WPFC電路

圖5是由FAN4822組成的一個(gè)500W的零電壓開關(guān)PFC電源電路。該電路能夠輸出400V的直流和開關(guān)電壓。電路設(shè)計(jì)中增加了一個(gè)TC4427放大器作為Q1的前級(jí)推動(dòng)，以進(jìn)一步增大Q1的輸出功率。L2的電感值選擇與負(fù)載的總線電壓VBUS、FAN4822的VRMS端的補(bǔ)償輸入電壓最小值VRMS(MIN)、電路的輸出功率POUT以及FAN4822的開關(guān)時(shí)間參數(shù)有關(guān)。本電路中L2的電感值選擇8.5mH，C1則選擇330μF/450V的電容器。其余各主要元件的參數(shù)和選擇可參考圖5來設(shè)計(jì)。有興趣者也可參考有關(guān)資料[1]。