基于NCP1653的功率因数校正电路设计

NCP1631控制交错并联功率因数校正器的研制作者：张友军徐伟季重阳来源：《现代电子技术》2016年第23期摘要：采用PFC控制芯片NCP1631设计了一款工作在全电压输入范围下的交错并联PFC电路。

详细分析并讨论了NCP1631芯片的特点以及PFC变换器的设计参数等，最终研制了一台500 W交错并联BOOST型PFC变换器样机。

实验结果表明，采用NCP1631的交错并联PFC电路，在宽输入电压范围内具有良好的功率因数校正效果。

关键词：功率因数校正；交错并联； NCP1631； BOOST型中图分类号： TN710⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2016）23⁃0141⁃03Development of interleaving power factor corrector based on NCP1631ZHANG Youjun， XU Wei， JI Chongyang， CHEN Ke（School of Mechanical and Electric Engineering， Soochow University， Suzhou 215021，China）Abstract：An interleaving PFC （power factor correction） circuit working at the input voltage range was designed based on PFC control chip NCP1631. The features of NCP1631 chip and design parameters of PFC convertor are analyzed and discussed in detail. A prototype of 500 W interleaving BOOST⁃type PFC convertor was developed. The experimental results show that the interleaving PFC circuit with NCP1631 has good PFC effect within a wide input voltage range.Keywords： power factor correction； interleaving； NCP1631； BOOST⁃type0 引言随着单相临界导通模式（CRM）下BOOST型PFC技术的成熟和功率等级的进一步提高，以及在一些对体积有严格要求的应用设备中，原有的CRM PFC电路已难以满足需要。

固定频率连续电流型PFC控制器NCP1653 及其应用作者：李龙文摘要：讨论了固定工作频率、连续电流型PFC 电路的工作原理，介绍了NCP1653 的引脚功能及使用特点。

给出了一个典型应用电路及其试验波形。

0 引言从交流电网经整流供给直流是电力电子技术及电子设备中应用极为广泛的一种基本变流技术。

例如在开关电源（即AC/DC 开关电源）的输入端，交流电流经全波整流后，一般接一只大电容，以得到波形较为平直的直流电源。

这种整流器与电容滤波器的组合，虽然输入交流电压是正弦的，但输入交流电流却是脉冲状的。

这种严重畸变的非正弦电流，造成了谐波电流对电网的危害，并引起输入端功率因数的下降。

有源功率因数校正（PFC，Active Power FactorCorrection）电路的引入，应用电流反馈技术，使输入电流的波形跟踪输入正弦电压的波形，大大减小了谐波，提高了功率因数。

由于PFC 电路采用Boost 拓扑，所以可以在较宽的输入电压范围（如AC 90~264 V）和宽频下工作。

然而，PFC 电路在较低输入电压时，电路的损耗加大，效率也会降低。

NCP1653 采用固定工作频率及连续电流方式，满足了PFC 电路的各项控制功能，它所特有的跟随型升压技术则满足了在不同的输入电压条件下，使电路中的功率器件始终工作于最优化的状态。

1 NCP1653的功能框图NCP1653 是一款设计成连续导通型(CCM)的功率因数校正用升压式的PFC 控制电路，它可以工作在跟随升压或固定输出电压两种模式，工作频率固定于100kHz，有效地减少了升压电感的体积，减小了功率MOSFET 的电流应力，从而降低了成本，采用DIP-8 及SO-8封装，它的外围元器件数量很少，且极大地简化了CCM 型的PFC 的操作，它还集成了高可靠的保护功能。

典型应用简图如图1 所示，其原理方框图如图2所示，其引脚功能如下。

NCP1653图2 NCP1653PFC 控制器的内部等效电路脚1（FB/SD）反馈及关断国该端子接受反馈电流IFB，它正比于PFC 电路的输出电压，该电流大小用于输出电压调节，输出过压保护（OVP）及输出欠压保护。

基于NCP1654的高功率因数电源的设计汪定华【摘要】为了减少电力电子装置引起的谐波污染,加入APFC控制策略是一种有效的方法。

有源功率因数校正电路使输入电流波形跟踪输入正弦交流电压波形,得到较高的功率因数。

文章主要针对APFC控制方法进行讨论,介绍了NCP1654控制电路,并设计了600 W功率电路,实验结果证明了此校正电路的优良性能。

%It is an effective method that active power factor correction （APFC） is added into the power electronic deceives to reduce the harmonic pollution caused by these deceives. Active power faetor correction circuit makes input current waveform track the input sinusoidal AC voltage waveform to get a higher power factor. Control method mainly aimed at APFC are discussed in the paper, NCP1654 control circuit is introduced, and the design of a 600 W power circuit is completed. The experimental results show the good performance of the correct circuit.【期刊名称】《通信电源技术》【年(卷),期】2012(029)003【总页数】3页(P25-27)【关键词】APFC;NCP1654;功率电路【作者】汪定华【作者单位】中国电子科技集团第四十一研究所,安徽蚌埠233006【正文语种】中文【中图分类】TN860 引言随着电力电子技术的发展，各种整流器和带有整流器的电力电子装置在各行各业中大量应用。

第一章绪论1.1课题研究的目的意义随着电子科学技术的发展和应用，电子设备的种类越来越多，其中电源应经成为这些电子设备不可缺少的一部分。

同时，他们对电源的要求也越来越高。

近年来，开关电源以效率高，功率密度高，电压调整度高，体积小，重量轻等诸多优点而在电源领域中占据主导地位。

然而，开关电源多数是通过整流器与电力网相接的，经典的整流器是由二极管或晶闸管组成的非线性电路。

这样就造成开关电源的输入阻抗呈容性，网侧输入电压和输入电流间存在较大相位差，输入电流严重非正弦，并呈脉冲状，故功率因数极低，谐波分量很高，给电力系统带来严重的谐波污染。

为此国际电工委员会为各种电子设备制定了相应的谐波标准，我国国内的有关委员会也提出了相应的谐波标准。

传统的整流电路因为谐波远远超标而面临前所未有的挑战[1-3]。

为了保证开关电源的输入电流谐波能够达到谐波标准的要求，绿化电网环境，功率因数校正（Power Factor Correction, PFC）技术已经成为当今电力电子学领域十分活跃和颇具研究价值的热点。

直接接入电网的开关电源应用已经非常普遍，一般来说其前置级AC/DC变换部分都采用图1-1所示的二极管桥式整流加大容量电路电容滤波电路。

其中整流器——电容滤波器电路是一种非线性元件和蓄能元件的组合，当输入交流电压的电位较低时，负载所需的电能由蓄能电容提供，交流电压源本身并不提供电流；当输入交流电压的电位较高时，交流电压源直接向蓄能电容充电。

因此，尽管输入的交流电压是正弦波，但是输入的交流电流却呈脉冲状，波形严重畸变，如图1-2所示。

由此可见，如果大量的应用这种整流电路，则要求电网提供严重畸变的非正弦电流。

若将这些脉冲状的输入电流做傅里叶级数分析，可得它的展开式如下：（1-1）式表明输入电流中含有大量的奇次谐波如图1-3所示，这反映了开关电源这类装置网测电流有较大的畸变。

两侧电流畸变越严重，开关电源功率因数也就越低，一般地，功率因数约为0.5—0.65.同时，如果大量的电流谐波分量倒流入电网，则一方面会使电网中的谐波噪声水平提高，造成电网的谐波“污染”，另一方面会产生“二次效应”，即电流流过线路阻抗形成谐波电压降，反应过来使得电网电压（原正弦波）也发生畸变。

基于NCP1651控制器的90W反激式单级PFC变换器原理与设计NCP1651是一种单级功率因数控制器。

介绍了NCP165l的结构、主要特点及基于NCPl651的90W通用输入单级PFC变换器原理与设计。

关键词：NPCI65l；单级PFC；控制器；反激拓扑；设计0 引言单级PFC的基本拓扑及其工作原理在《电源技术应用》等学术期刊中，已有许多文章对其进行了介绍。

尽管单级PFC电路仪需一个功率升关，电路拓扑简单，效率较高，但单级PFC的实用电路却非常少见。

众所周知，用于两级PFC电路的控制器lC品种和型号非常多，相关设计技术早已十分成熟，而单极PFC专用控制器芯片，长时间没有问世。

迄今为止，单级PFC控制IC仅有两款：一个是数字单级PF C控制器iW2202，另一个则是安森美半导体公司推出的NCPl651。

NC Pl65l是一种适用于反激式拓扑的单级PFC控制器。

基于NCPl65l的反激式隔离变换器，可提供中、高DC输出电压和50～250W的输出功率，满足IEC1000-3-2谐波电流限制要求，并能将初级侧电压限制在700V之内。

1 NCPl65l的结构与主要特点NCP1651采用16引脚SOIC封装，其中引脚14和15未连接。

NC P1651的芯片电路组成与NCPl650的内部结构存在很多相同之处，其内部结构框图如图1所示。

NCP165I的各个引脚功能见表1。

NCPl65l是一种固定频率平均电流模式PWM单级PFC控制器，被用作驱动工作在连续导电模式(CCM)或不连续导电模式(DCM)的反激变换器拓扑，并编程平均输入电流跟随AC线路电压。

利用平均电流模式控制CCM算法，可以限制峰值初级电流，提供接近于1的功率因数。

固定频率操作，能使输入滤波器电路设计简化。

NCPl65l内置高精度专利乘法器，与传统模拟乘法器比较，具有更优异的性能。

NCP l65l提供逐周峰值和平均电流限制、Vcc欠电压锁定和过温度(门限为160℃，带30℃滞回)关闭等保护功能。

240W 谐振式电动轮椅充电器图7-68是240W 谐振式电动轮椅充电器，该充电器具有重量轻、充电时间短、充电效率高与放电时间长等优点，其主要技术参数如下：(1) 输入电压：90~264V AC ； (2) 输入频率：47~63HZ ； (3) 输出电压：24V ； (4) 输出电流：10A ；(5) 充电特性：恒压、恒流； (6) 转换效率： 86%；(7) 保护功能：过电压、过电流、过热、短路保护。

电路由输入保护电路、EMI 抑制电路、输入整流滤波电路、功率因数校正电路、直流转换电路、输出整流滤波电路、输出反馈取样电路及过电压、过电流、过热保护电路组成。

这些电路的工作原理及特点在前面的电路中已详细讨论过。

这里不再重复。

下面就充电器电路中采用的几种集成电路进行简单介绍。

R 1684R 2684C 1684/275VFUT3.15A /250V A CR T110D-9L N FGR V110D471kC 3102/1k VC 5104/1kV C 9102C 4104/1k VC 6104C 8102L222*11C 2474/275V A CC 7102L222*111234B D 110A /600V θR 3205R 4205R 5185R 6302R 7205R 84702/2W R 9100R 100.1/2WR 11684R 12684R 13684L312.5*8L4PQ 3230V mC SIC1N CP 1653SO -8In G ND V control V cc FBD RV57186234V D1IN5406V D2MSR 860V D3IN5406C 13200μ/450VV T22N 2907C 12221/1kVPF C O UTC 11471C 10104V S418VV cc +V HC 1410μ/16VC 1522μ/50VIC378L12V D5U F102V D6U F106V D7U F102U cc2C 16102/1kVR 14204R 15204R 16220R 17102R 18783R 19204PF C O UT1453C 1747μ/35V C 1847μ/25V5*11C 19104ABC 23102R 28470V D8SB 21002A /100VL53.3μHC 24680μ/16VC 25100μ/16VC 26104+12V /0.5A(SB )R 34302R 35102R 36682PC 1PC 817C PC 2PC 918AC 27104V T62N 2222O N/O FF T1EE -192910230102311023211233302C 28104TL 1TL 431A TO -92C 29102/275V A CC 20101C 21103R 21223R 22103R 23183R 24513R 25103R 26333R 27104R 19105R 20105D rain R amp V ccO PP IC2N CP 1027P 67kH zD IP -8FBG ND B -O 5174283PC 1PC 2N TC 1224V T32N 2907V T52N 2222V T42N 2907C 2222μ/25V U cc1图7-68 240W 谐振式电动轮椅充电器电路（一）7.15.1 NCP1653的特性及功能简介 1.NCP1653的特性NCP1653是一款设计成连续导通型（CCM ）的功率因数校正用的升压电路，它可以工作在跟踪升压或固定输出电压两种模式，工作频率固定于100kHZ ，有效地减少了升压电感的体积，减小了功率MOS 的电流容量，从而降低了成本。

连续导通平均电流型PFC电路的设计程序连续导通平均电流型PFC电路适合中功率和大功率使用。

它的峰值电流相对较小，电感及功率MOSFET都比较好选择。

ONSEMI公司最新推出的NCP1653即是一款很优秀的控制IC。

NCP1653是一个CCM型的预升压调整器﹐它以PWM方式控制功率开关的导通时间，工作频率固定且，采用连续的升压电感电流的方式工作。

NCP1653采用DIP-8或SO-8封装﹐电路最大限度地减小了外围元件数﹐有效的执行PFC功能，它还集成了高度安全的保护特色﹐使的得这款IC能够驱动和控制一个有效输入功率箝制的PFC功能。

选用NCP1653是一个理想的方案﹐它使系统成本低廉，可靠且功率因数很高。

还具备了全部功率因数校正所必备的功能，建起有效的PFC级。

其特色有：1，高竞争力和可塑性。

2，微功耗和关断控制功能。

3，各种安全保护功能。

4，最大输出电流限制。

5，输出过压和欠压保护和关断。

6，输出过功率限制。

7，芯片过热关断功能。

图1NCP1653组成的PFC前级电路当选定控制IC以后，首先决定其外围元件的数值，然后开始以下几个步骤。

第一步﹕功率元件的选择﹕１﹒磁芯选择通常采用限制电流纹波的方法﹐使其工作在预检值之下﹐纹波电流为最大电流的K15%。

输入电流在低线路时最大，其为﹕此处,Pout max是最大输出功率，Vac min是最低输入电压，η是效率。

如果我们假设η＝92％﹐则I in(max)==5.1A。

磁芯纹波电流的峰-峰值由下式给出﹕I riple==典型目标，电流纹波为AC电流幅度的10-50%，这样，所需的电感量为：对于100KHz的f和390V的Vout(max)L=557μH，取600μH。

最后忽略磁芯的纹波电流，则Ｉcoil rms=Pout/η*Vac(low)，其均方根值等于AC线路RMS电流，所以磁芯的均方根电流Icoil rms为：最后结果，L=600uH，I coil max=5.8A，I coil rms=3.7A。

第三章功率因数校正电路分析一: 引言有源功率因数校正的目的，是要使电源从输入端看就象一个简单的电阻。

有源功率因数校正器是靠控制输入电流随着输入电压变化来实现这个目的的。

当输入电压和电流之比是个常数，输入就是阻性的，功率因数就等于1.0。

当这个比值不是常数时，输入就包含相位移和/或谐波失真，功率因数就会下降。

功率因数最一般的定义是实功对视功之比其中P1是实功，P2是视在功率。

如果负载是纯阻性的，实功P1视在功率，功率因数就等于1.0。

如果负载不是纯阻性的，功率因数就低于1.0。

相位移是有源功率因数校正器输入阻抗的电抗的度量。

不论电抗是多大，也不管它是感性的还是容性的，都会引起输入电流波形对于输入电压波形的相位移。

这个电压和电流间的相位移是功率因数的经典定义，即正弦波电压和电流间的相位角的余弦电压和电流间的相位移的大小表明了负载的阻性程度。

如果电抗只占阻抗的一小部分，相位移就比较小。

如果有源功率因数校正器的前馈信号或控制环具有相位移，校正就会引入相位移。

交流母线电流滤波也会产生相位移。

谐波失真是有源功率因数校正器输入阻抗非线性的度量。

输入阻抗随输入电压的任何变化都会引起输入电流的失真，这个失真是引起功率因数下降的另一主要因素。

这个失真会增加电流的方均根值，但不会增加传递的总功率。

一个非线性负载的功率因数之所以低，是因为电流的方均根值大，而所传递的总功率又小。

如果非线性成分较小，谐波失真就小。

对于有源功率因数校正器来说，谐波失真来自几个方面，包括前馈信号，反馈环，输出电容、电感，以及输入整流器。

有源功率因数校正器能很容易地获得高输入功率因数，一般都大于0.9。

但功率因数并不能精确度量电流波形的失真或相位移。

因此往往都直接考虑这些量，而不是通过功率因数。

例如，当谐波失真为3%时，功率因数仍可高达0.999。

电流的总谐波失真达30%时，功率因数还可达0.95。

电流对于电压的相位移为25℃时，功率因数还可达0.90。

NCP1650型功率因数校正器的工作原理NCP1650是美国Onsemi公司于2002年3月新推出的功率因数校正集成电路专利产品，可对85～265V、50Hz或60Hz交流电源系统的功率因数进行自动校正，大大提高电能利用率，达到节能目的。

NCP1650采用固定频率、平均电流式脉宽调制器，可广泛用于服务器等设备的交流电源系统中，并可作为分布式电源系统的前端校正器，构成1kW以下的功率因数校正器，功率因数可达0.95～0.99。

1 功率因数校正器概述目前，在液晶电视机电源电路、开关电源、电子镇流器、交流变频调速器等装置中的AC／DC变换器，都是由桥式整流器与电容滤波器构成的。

由于大容量滤波电容器的存在，使得整流二极管的导通角变得很窄，仅在交流电压的峰值附近才能导通，致使交流电流产生严重的失真，变成了尖峰脉冲。

这种电流波形中包含了大量的谐波分量，经滤波后输出的有功功率就会显著降低。

因此，普通AC／DC变换器的功率因数很低，只能达到0.6左右。

交流供电设备的功率因数是在电流波形无失真情况下定义的。

造成功率因数降低的原因有两个：一是电流波形的相位漂移，二是电流波形存在失真。

相位漂移通常是由电源的负载性质（感性或容性）而引起的，在这种情况下对功率因数的分析相对简单，一般可用公式cosα=P／UI来计算。

但是当电流波形存在失真时，分析起来就比较复杂，通常需要用计算机来仿真或者用交流分析仪来测量功率因数（λ）值。

对功率因数校正前、后的波形比较如图1所示。

图1（a）为未进行功率因数校正的普通隔离式电源变换器的电压与电流波形图，其电流波形已严重失真。

图1（b）为进行功率因数校正后的u、i波形图，其电流波形无失真且与电压波形的相位保持一致。

导致电流波形失真的主要原因是交流电经过整流后的电流不能跟随电压波形的变化。

而功率因数校正器的作用就是强迫线电流能跟随线电压波形的变化，它不仅能提高交流电源变换器的功率因数，还可以抑制谐波，减小峰值电流和有效值电流，消除基波的相位漂移。

高效率PFC电路二极管选择方案PFC中二极管的新选择在功率因数校正〔PFC〕电路中，600V升压二极管是关键元件，特别是工作在连续模式和苛刻开关条件下的PFC更是这样。

在每一个开关周期，二极管的恢复电流流经MOS晶体管，这导致开关中高的"开关通导"功率损耗。

对于这种应用，需要最快的600V二极管。

为了提高PFC的效率，通常的方法是把三个200V外延恢复二极管串联起来。

这必须增加一个平衡网络〔每一个二极管并联一个电容和一个电阻〕，以确保每一个二极管工作在其额定电压内。

ST Microelectronics公司提供一个新颖的解决方案：两个300V二极管串联在一起封装在绝缘的TO-220封装中构成600V Tandem(串联二极管〕。

这种硅器件是一种超高速二极管，在绝大多数情况下可以对平衡网络加以抑制。

与普通二极管的比拟工作在连续模式和苛刻开关条件下的PFC〔图1〕当晶体管导通时二极管中的电流减少很快〔几百安培/微秒〕。

在此有两种功耗：在二极管中的导电和开关功耗；由于二极管的反向恢复电流引起的在晶体管中的功耗。

图2示出同一PFC用不同的二极管〔普通的600V二极管STTA806D或600V Tandem STTH806 TTI)的功耗比拟，这些结果是在如下工作条件下得到的：Pout=400W,Fs=150kHz,dI/dt=200A /μs,Tj=125℃，Vmains=110V。

从图2可清楚地看到：开关功耗的主要局部是在MOS晶体管中；用600V Tandem(STTH806TTI)的总功耗比用普通600V二极管〔STTA806D〕要低，这是由于二极管的小恢复电流所致。

Tandem二极管选择指标600V Tandem和普通600V二极管之间的选择主要取决于下面的参数：开关频率Fs;最小和最大电源电压Vmains;二极管的工作结温Tj。

1.开关频率Fs的影响开关频率越高，超高速STTH806TTI比普通的600V二极管更优越。