为CCM升压转换器实现功率因数校正

主要收获

• CCM升压式PFC级的工作效果最佳，方法是先设定电流波形目标，然后根据该要求确定电感、传感器和控制环路的参数。
• 低线纹波电流是选择电感器的关键依据，因为它对维持连续电流和确保检测精度提出了最严苛的要求。
• 只有当传感路径和控制路径都包含在模型中时，仿真才有价值，因为波形失真通常源于这些链路，而非仅源于功率级本身。

当电感纹波、电流传感器和控制环路的选型是根据输入电流波形向后推导确定的时，连续导通模式升压PFC即可正常工作。

即使升压PFC级的设计参数不合理，虽然仍能达到总线电压，但仍可能无法满足线电流目标，因为波形从来都不是设计的核心依据。单相CCM升压前端必须从整流后的市电源中汲取近正弦波形的电流，同时确保开关、二极管、电感器和控制环路保持在合理的应力范围内。 2023年全球电力需求增长了2.2%，这使得前端效率和电流质量仍值得工程师们仔细推敲。当每个元器件的选择都经过与其产生的电流波形进行比对验证时，您将获得更优的升压转换器设计。

连续导通模式定义了每个开关周期内的电流流动

连续导通模式意味着在开关周期内，升压电感电流不会降至零。这一条件就改变了整个功率因数校正电路，因为电流环路看到的是一条近乎连续的斜坡曲线，而不是孤立的电流脉冲。在电感电流从一个周期到下一个周期保持连续的同时，您控制的是平均电流波形。因此，CCM通常是中、大功率升压转换器电路设计的首选。

一个500 W的通用输入级清晰地展示了这一差异。 在100 kHz频率下，尺寸合适的电感会在上升和下降的线频包络线上承载三角形纹波，因此电流波形在相邻开关周期之间保持连续。这种连续性与断续工作模式相比可降低峰值电流，从而减轻开关应力，并通常能提高传导发射裕度。其取舍在于控制复杂度，因为电流检测和环路补偿必须跟踪一个叠加在远大于它的正弦指令波上的微小纹波。

功率因数校正始于输入电流目标值

功率因数校正应从您希望从市电获取的电流入手，而非从输出电容或占空比入手。CCM升压式PFC级应使输入电流在经过功率缩放后，与整流后的输入电压保持一致。这意味着目标波形呈正弦波，且与瞬时线电压成正比。一旦明确了这一目标，升压转换器的其余部分设计便有了明确的任务。

一个230 Vac、300 W的电源可帮助说明这一点。如果整流后的线电压较高，则电感器指令电流必须呈阶跃上升，以便电源端将输入视为电阻性负载；如果线电压在零交叉点附近下降，则指令电流也必须平滑下降。 额定功率为75 W或更高的“能源之星”（ENERGY STAR）认证计算机电源，在100%额定输出时，功率因数要求不得低于0.90。如果当前参考电流不正确，后续任何调谐步骤都无法恢复干净的输入波形。

输出电压的选择决定了升压转换器的的工作窗口

输出电压决定了整个市电电压范围内的占空比范围、半导体应力、保持电压裕量以及线电流应力。总线电压过低会导致在低线电压附近出现高占空比，从而推高有效值电流；总线电压过高则会增加开关电压应力，并使效率更难维持。应在最终确定磁路尺寸之前选定总线电压。

一种常见的设计采用约380 V至400 V的总线电压来实现通用输入工作。这种选择既能在整流后的高压线峰值之上留出裕量，又能确保开关和二极管的额定值处于合理范围内。若将总线电压提升至450 V左右，器件损耗和绝缘裕度就会变得紧张；若降至340 V左右，低压线的占空比就会上升，从而使纹波控制变得更加困难。

电感值由低电压下的纹波电流决定

CCM升压级中的电感值是根据最差工作点下的允许纹波电流确定的，该工作点通常为低线电压和满载工况。该工况下的占空比最大，平均输入电流也最高。一种有效的设计流程是：首先设定纹波比目标值，然后根据开关频率和低线电压计算出电感值。在确定电感值时，应优先考虑电流波形，其次才是铜损。

一个实际案例可以清晰地说明该方法。以90 Vac输入、390 V输出、500 W功率和100 kHz开关频率为例，首先将纹波设定在峰值线电流的20%至40%左右。根据通常的导通时间纹波关系，可以确定一个电感值，既能使开关纹波足够小以满足连续电流需求，又无需采用过大尺寸的磁性元件。 较高的纹波会增加零交叉失真和传感器噪声。而极低的纹波则会增加体积、成本，并减慢瞬态响应速度。

电流检测必须与CCM电感波形相匹配

在CCM PFC级中，电流检测必须测量控制器实际所需的波形，即电感电流或其干净的等效波形。传感器必须能够承受开关噪声、保持斜率，并在整个线周期内保持线性。不能在功率级设计完成后再选择传感器，因为传感器的限制条件决定了电流环的特性。传感器的布置应位于升压转换器电路中，并需与其同步设计。

开关下方的低侧分流电阻可提供一个简单的信号，但该波形具有陡峭的上升沿和下降沿，且需要进行消隐处理。 电感-DCR网络可以降低功耗，但必须谨慎处理温度漂移和滤波延迟问题，否则控制环路将追踪一个延迟的电流估计值。SPS SOFTWARE中的模型在此非常有用，因为电流传感器、滤波器和PWM消隐功能均可连接到您已选定规格的同一电感波形上。这使得当一个看似整洁的传感原理图实际上正在破坏CCM控制所依赖的电流信息时，这一问题便一目了然。

“传感器应安装在升压转换器电路中，并在设计时将其纳入考虑。”

电流环必须跟踪整流后的正弦波

在CCM升压PFC级中，电流环路必须确保在整个市电周期内，电感平均电流始终跟随整流后的正弦参考信号。良好的跟踪性能可保持高功率因数和低总谐波失真。该环路必须足够快，以校正开关量级误差；同时又必须足够慢，以忽略噪声尖峰。由于需要对波形进行整形，因此带宽和滤波必须专为此单一任务服务。

基于乘法器的控制器便是一个清晰的例子。外层电压环路设定功率水平，整流后的线电压决定波形，而内层电流环路则使检测到的电流在每个开关周期内都跟随该指令。如果电流补偿器响应过慢，线电压周期的顶部附近会出现峰值平坦化现象，且线电流开始滞后于指令。如果补偿器反应过于激进，开关纹波会渗入占空比，导致电流波形变得参差不齐。 良好的调谐会呈现出平滑的正弦波包络，其顶部仅带有受控的三角波纹。

电压环路带宽必须保持在线频以下

单相升压PFC级中的电压环路必须比市电波形慢得多，这样才不会对两倍线频的功率脉动产生响应。如果电压环路速度过快，会向电流参考信号中引入失真，从而导致功率因数恶化。而较慢的电压环路既能保持输出电压调节的稳定性，又能让电流环路正常工作。这是区分正常工作的CCM设计与存在噪声的CCM设计的主要限制因素之一。

60 Hz 电源会向直流母线引入 120 Hz 的功率纹波，即使电流整形效果极佳也是如此。如果电压环路交叉点逐渐向该纹波靠拢，控制器就会开始将正常的能量波动误认为误差并加以校正，结果是在每个半周期波峰附近出现明显的电流失真。出于这个原因，许多设计人员会将电压环路保持在 20 Hz 以下。 输出电容、负载步进目标和维持电压要求依然重要，但必须权衡这些因素与确保电流指令中不含线频纹波成分的需求。

“优秀的PFC设计，与其说在于孤立的方程式，不如说在于确保每一个设计决策都符合电流波形。”

在选择硬件之前，应通过仿真揭示电流失真问题

一个优秀的升压转换器电路仿真模型，能在选择硬件之前展示电流波形、纹波、占空比范围以及传感器限值。这种验证比一张整洁的原理图更有价值，因为恒流模式（CCM）能否成功，取决于在低线电压、高线电压、轻载和满载条件下的波形质量。如果模型包含控制路径，你就能尽早发现元器件选型上的不足。这正是严谨的设计通常能节省时间的地方。

一个有效的审查模型应在零件被锁定之前检查以下五点：

• 低线纹波值始终保持在预定的CCM范围内。
• 传感器滤波可保持电感电流的斜率不变。
• 当前参考信号与整流后的线性包络线相吻合。
• 电压环路不会调制线路电流波形。
• 开关和二极管的应力值均在额定值裕度范围内。

一个包含电感、电流传感器、PWM逻辑和补偿器的模型将说明，为什么某些元器件的参数在理论上看似安全，实际却仍会产生失真。这就是SPS SOFTWARE在此工作流程中的实际价值：您可以测试包含传感和控制路径的完整CCM升压级，然后根据其产生的波形来评估元器件。优秀的PFC设计与其说是依赖孤立的方程，不如说是确保每一项选择都能真实反映电流波形。