UC3855A/B高性能功率因數(shù)預(yù)調(diào)節(jié)器

電源轉(zhuǎn)換器正朝著越來越高的功率密度的方向發(fā)展。通常，獲得這種高功率密度的方法是提高開關(guān)頻率，可以縮小濾波器組件的尺寸。但是，提升開關(guān)頻率會(huì)極大地增加系統(tǒng)的開關(guān)損耗，而這種損耗會(huì)阻礙系統(tǒng)在高于 100 kHz 的開關(guān)頻率上運(yùn)行。

1 引言

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為了在保持一定效率的同時(shí)增加開關(guān)頻率，人們開發(fā)出了幾種軟開關(guān)技術(shù)（1、2 和 3）。大多數(shù)諧振技術(shù)都增加了半導(dǎo)體電流和/或電壓應(yīng)力，從而導(dǎo)致器件體積增大，并增加大環(huán)流帶來的傳導(dǎo)損耗。然而，一種新型轉(zhuǎn)換器被開發(fā)了出來，其允許在沒有增加開關(guān)損耗的情況提高開關(guān)頻率，同時(shí)克服了諧振技術(shù)的大部分弊端。在實(shí)現(xiàn)主開關(guān)零電壓開啟和升壓二極管零電流關(guān)閉的時(shí)候，零電壓轉(zhuǎn)換 (ZVT) 轉(zhuǎn)換器工作在一個(gè)固定頻率上。這僅僅是通過在開關(guān)轉(zhuǎn)換期間運(yùn)用諧振操作來實(shí)現(xiàn)的。在周期的剩余時(shí)間里，從根本上將諧振網(wǎng)絡(luò)從電路中消除，而且轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行同其非諧振部分完全一致。

同傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器相比，這種技術(shù)帶來了效率方面的提高，并可以在低應(yīng)力下運(yùn)行升壓二極管（這是因?yàn)殛P(guān)閉狀態(tài)下受控的 di/dt）。二極管軟開關(guān)還可以降低 EMI（這是一個(gè)重要的系統(tǒng)考慮因素）。

有源功率因數(shù)校正將對轉(zhuǎn)換器的輸入電流進(jìn)行編程以跟隨線電壓，并且有可能實(shí)現(xiàn) 3% THD 的 0.999 功率因數(shù)。Unitrode UC3855A/B IC 集成了功率因數(shù)校正控制電路，該控制電路可以為高功率因數(shù)提供數(shù)個(gè)電流傳感和功率級(jí) ZVT 運(yùn)行方面的增強(qiáng)特性。

UC3855 集成了設(shè)計(jì)一款帶有平均電流模式控制功能的 ZVT 功率級(jí)所需的所有控制功能。由于其能夠在避免斜率補(bǔ)償和其他方法（5、6）低噪聲抗擾度的同時(shí)對輸入電流進(jìn)行精確地編程，因此人們選擇了平均電流模式控制。

1.1 ZVT 技術(shù)

1.1.1 ZVT 升壓轉(zhuǎn)換器功率級(jí)

除開關(guān)轉(zhuǎn)換以外的整個(gè)開關(guān)周期中，ZVT 升壓轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行均同傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器一樣。圖 1 顯示的就是 ZVT 升壓功率級(jí)。ZVT 網(wǎng)絡(luò)由 QZVT、D2、Lr 和 Cr 組成，提供了升壓二極管和主開關(guān)的有源緩沖。[4、7、8] 描述了 ZVT 電路的運(yùn)行情況，為了敘述的完整性在此處進(jìn)行了回顧。參見圖 2，下列時(shí)序間隔可以被定義為：

圖 1 具有 ZVT 功率級(jí)的升壓轉(zhuǎn)換器

圖 2 ZVT 時(shí)序結(jié)構(gòu)圖

1.1.2 ZVT 時(shí)序

1.1.2.1 t0-t1

t0 之前的時(shí)間里，主開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，二極管 D1 正傳導(dǎo)滿負(fù)載電流。在 t0 處，輔助開關(guān) (QZVT) 被開啟。由于輔助開關(guān)處于開啟狀態(tài)，Lr 中的電流線性地上升至 IIN。在此期間，二極管 D1 中的電流正逐漸下降。當(dāng)二極管電流達(dá)到零時(shí)，該二極管關(guān)閉（例如 D1 的軟開關(guān)）。在實(shí)際電路中，由于二極管需要一定時(shí)間來消除結(jié)電荷 (junction charge)，因此會(huì)有一些二極管逆向恢復(fù)。ZVT 電感上的電壓為 VO，因此電流上升至 Iin 所需要的時(shí)間為：

1.1.2.2 t1-t2

在 t1 處，Lr 電流達(dá)到了 IIN，且 Lr 和 Cr 開始產(chǎn)生諧振。該諧振周期在其電壓等于零以前對 Cr 放電。漏極電壓的 dv/dt 由 Cr（Cr 為外部 CDS 和 COSS 的組合）控制。Cr 放電的同時(shí)流經(jīng) Lr 的電流不斷增加。漏極電壓達(dá)到零所需要的時(shí)間為諧振時(shí)間的 1/4。在該周期結(jié)束時(shí)，主開關(guān)的主體二極管開啟。

1.1.2.3 t2-t3

在該時(shí)間間隔開始時(shí)，開關(guān)漏極電壓已達(dá)到 0V，并且主體二極管被開啟。流經(jīng)該主體二極管的電流將由 ZVT 電感驅(qū)動(dòng)。該電感上的電壓為零，因此電流處于續(xù)流狀態(tài)。此時(shí)，主開關(guān)被開啟，以實(shí)現(xiàn)零電壓開關(guān)。 1.1.2.4 t3-t4

在 t3 處，UC3855 感應(yīng)到 QMAIN 的漏極電壓降至零，并在關(guān)閉 ZVT 開關(guān)的同時(shí)開啟主開關(guān)。ZVT 開關(guān)關(guān)閉以后，Lr 中的能量被線性地從 D2 釋放至負(fù)載。

1.1.2.5 t4-t5

在 t4 處，D2 中的電流趨于零。當(dāng)這種情況發(fā)生時(shí)，該電路就像一個(gè)傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器一樣運(yùn)行。但是，在一個(gè)實(shí)際電路中，Lr 同驅(qū)動(dòng) D1 陰極（由于 Lr 的另一端被鉗位控制至零）正極節(jié)點(diǎn)的 ZVT 開關(guān) COSS 一起諧振。在 ZVT 電路設(shè)計(jì)部分將對這種影響進(jìn)行討論。

1.1.2.6 t5-t6

該級(jí)也非常像一個(gè)傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器。主開關(guān)關(guān)閉。QMAIN 漏－源節(jié)點(diǎn)電容充電至 VO，并且主二極管開始向負(fù)載提供電流。由于節(jié)點(diǎn)電容起初將漏極電壓保持在零狀態(tài)，因此關(guān)閉損耗被極大地降低了。

由上述內(nèi)容可知，這種轉(zhuǎn)換器的運(yùn)行僅在開啟開關(guān)轉(zhuǎn)換期間不同于傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器。主功率級(jí)組件并未出現(xiàn)比正常情況更多的電壓或電流應(yīng)力，而且開關(guān)和二極管均歷經(jīng)了軟開關(guān)轉(zhuǎn)換。通過極大地減少開關(guān)損耗，可以在不降低效率的情況下增加工作頻率。二極管也可以在更低的損耗條件下工作，從而在更低溫度、更高可靠性的條件下運(yùn)行。該軟開關(guān)轉(zhuǎn)換還降低了主要由升壓二極管硬關(guān)閉引起的 EMI。

1.1.3 控制電路要求

為了保持主開關(guān)的零電壓開關(guān)，ZVT 開關(guān)在 Cr 電壓諧振至零以前必須為開啟狀態(tài)。通過使用一個(gè)相當(dāng)于低線壓和最大負(fù)載條件下 tZVT 的固定延遲，可以實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。

但是，這樣一來在輕負(fù)載或更高線壓的條件下延遲的時(shí)間會(huì)比必要延遲時(shí)間更長，從而會(huì)增加 ZVT 電路傳導(dǎo)損耗以及峰值電流應(yīng)力。通過感應(yīng) QMAIN 漏極電壓何時(shí)降至為零，UC3855 實(shí)現(xiàn)了一個(gè)可變 tZVT。一旦該電壓降至 ZVS 引腳閾值電壓 (2.5V) 以下時(shí)，ZVT 柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)便被終止，并且主開關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)升高。圖 3 顯示了該控制波形。在振蕩器開始放電時(shí)開關(guān)周期開始，ZVT 柵極驅(qū)動(dòng)在放電周期開始時(shí)升高。在 ZVS 引腳感應(yīng)到零電壓狀態(tài)或者放電期間結(jié)束（振蕩器放電時(shí)間為最大 ZVT 脈寬）以前，ZVT 信號(hào)均處于高位。這樣就使 ZVT 開關(guān)僅在需要的時(shí)候開啟。

圖 3 ZVT 控制波形

2 控制電路運(yùn)行及設(shè)計(jì)

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圖 4 顯示了 UC3855A/B 的結(jié)構(gòu)圖（引腳數(shù)與 DIL?20 封裝相當(dāng)）。其顯示了一款集成了基本 PFC 電路的控制器，包括平均電流模式控制以及促進(jìn) ZVT 工作的驅(qū)動(dòng)電路。該器件還具有簡化電流傳感的電流波形合成器電路，以及過壓和過電流保護(hù)。在下列各章節(jié)中，該控制器件被分解成若干個(gè)功能模塊，并對其進(jìn)行了單獨(dú)的討論。

圖 4 UC3855 控制器結(jié)構(gòu)圖

2.1 與 UC3854A/B 的比較

UC3855A/B 的 PFC 部分與 UC3854A/B 完全一樣。他們共有的幾個(gè)設(shè)計(jì)參數(shù)在下面被突出顯示了出來，以說明其相似性。

功能	UC3854A/B	UC3855A/B
使能功能	專用引腳	集成到了 OVP
VRMS 的設(shè)計(jì)范圍	1.5V～4.7V	1.5V～4.7V
VA 的 VREF	3V	3V
VA 的 VREF	6V	6V
IAC 處的失調(diào)電壓	0.5V	0.7V
乘法器增益

UC3855A/B 中集成的新特性包括：

• ZVT 控制電路
• 過壓保護(hù)
• 電流合成器

2.2 振蕩器

振蕩器包括一個(gè)內(nèi)部電流源和散熱片，因此僅需要一個(gè)外部時(shí)序電容器 (CT) 來設(shè)置頻率。將額定充電電流設(shè)置為 500μA，放電電流為 8mA。放電時(shí)間大約為總時(shí)間的 6%，其定義了最大 ZVT 時(shí)間。CT 的計(jì)算可通過下式得出：

2.3 ZVT 控制電路

正如 ZVT 技術(shù)部分所述，UC3855A/B 提供了控制邏輯，以確保 ZVT 在所有線壓及負(fù)載狀態(tài)下運(yùn)行，并且無需使用一個(gè)固定延遲。ZVS 引腳對 MOSFET 漏極電壓進(jìn)行感應(yīng)，并為一個(gè) ZVT 驅(qū)動(dòng)比較器輸入。另一個(gè)比較器輸入被內(nèi)部偏置至 2.5V。當(dāng) ZVS 輸入為 2.5V 以上（并出現(xiàn) PWM 時(shí)鐘信號(hào)）時(shí)，ZVT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)可升高。下拉 ZVS 引腳可終止 ZVT 驅(qū)動(dòng)信號(hào)，并開啟主開關(guān)輸出（最大 ZVT 輸出信號(hào)等于振蕩器放電時(shí)間）。圖 5 顯示了用于感應(yīng)節(jié)點(diǎn)電壓的網(wǎng)絡(luò)。R12 將引腳上拉至 7.5V 的最大值，同時(shí)C6提供濾波功能。

圖 5 ZVS 傳感電路

RC 時(shí)間常數(shù)應(yīng)該足夠快，以在最大占空比時(shí)達(dá)到 2.5V。該漏極電壓受限于將主MOSFET dv/dt變慢的節(jié)點(diǎn)電容，其降低了 ZVS 電路上的高速要求。最大 ZVS 引腳電壓應(yīng)被限制在 VREF，否則 ZVS 電路就會(huì)變?yōu)殚]鎖狀態(tài)，無法正確工作。

ZVS 運(yùn)行的另一種方法是，通過一個(gè)簡單的分壓器來感應(yīng)漏極電壓。但是，該電壓仍然必須被濾波（和鉗位控制），以便不會(huì)將噪聲注入 ZVS 引腳。

如欲了解時(shí)序波形，請參考前面的圖 3。

3 柵極驅(qū)動(dòng)

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主驅(qū)動(dòng)可提供 1.5 APK，ZVT 驅(qū)動(dòng)為 0.75APK。由于 ZVT 運(yùn)行，主開關(guān)驅(qū)動(dòng)阻抗要求被減少。在開啟時(shí)，漏極電壓為0V，因此密勒電容效應(yīng)不再是一個(gè)問題；在關(guān)閉時(shí)，dv/dt 受限于諧振電容器。由于 ZVT MOSFET 通常為至少兩個(gè)小于主開關(guān)的裸片尺寸，因此一個(gè)較低的峰值電流容量就可以滿足其驅(qū)動(dòng)要求。

3.1 乘法器/分壓器電路

UC3855A/B 的乘法器部分與 UC3854A/B 完全一樣。其集成了輸入電壓前饋功能（通過 VRMS 輸入），以消除對輸入電壓環(huán)路增益的依賴性。正確地設(shè)置該器件，需要定義的參數(shù)只有三個(gè)（VVRMS、IIAC 和 RIMO）。

3.1.1 VRMS

該乘法器對線電流進(jìn)行編程，從而影響線路的功耗?？紴V到系統(tǒng)功耗限制，對 VRMS 引腳進(jìn)行編程。參考該結(jié)構(gòu)圖（圖 4），乘法器輸出方程式為：

功耗限制函數(shù)由電壓環(huán)路誤差放大器 VEA (6 V) 的最大輸出電壓來設(shè)置。通過觀察給定 VEA 值情況下的變化可以輕松地闡明功耗限制函數(shù)。如果該 AC 線壓降低 2倍，那么前饋電壓效應(yīng) (V2VRMS) 則降低至四分之一。這樣就將乘法器輸出電流（以及隨之而來的線電流）提高了 2 倍。因此，線路的功耗保持恒定。反之，如果負(fù)載增加且線路保持恒定，則 VEA 增加，從而導(dǎo)致更高的線電流。于是，由此可見，VEA 為一個(gè)同輸入功耗成正比例關(guān)系的電壓。

在正常情況下，設(shè)置乘法器是用來限制低線路條件下的最大功耗，其同最大誤差放大器輸出電壓相當(dāng)。對該乘法方程式求解，以得到同最大誤差放大器電壓和最大乘法器電流（2 倍 IIAC 以內(nèi)）相當(dāng)?shù)那梆侂妷骸?/P>

求出低壓線路 VRMS 電壓以后就可以定義線路至 VRMS 引腳的分壓器。為了減少出現(xiàn)在乘法器輸入端的二階諧波數(shù)量（其反過來又會(huì)在輸入電流中引起三階諧波）[9]，相對而言，該前饋電壓必須沒有紋波。該濾波會(huì)在 VRMS 引腳上產(chǎn)生一個(gè) dc 電壓。由于是按照其 RMS 值對輸入電壓進(jìn)行定義，因此必須考慮到該 RMS 因數(shù) (0.9) dc [9]。例如，如果該低線壓為 85 V，那么要求的衰減則為：

在 270V高線壓狀態(tài)下，其相當(dāng)于 VVRMS = 4.76 V。VRMS 輸入的共模范圍為 0V 至 5.5V。因此，計(jì)算出來的范圍在可接受的極限以內(nèi)。

推薦使用一個(gè)二極濾波器來提供足夠的衰減，而不降低前饋瞬態(tài)響應(yīng)。單極濾波器要求有一個(gè)極低頻率的極以使 VRMS 對線壓變化很快地做出響應(yīng)。

一旦 VRMS 的失真被確定，則可以計(jì)算出濾波器極。如果前饋電路對總失真的作用為 1.5% 以內(nèi)，那么就可以計(jì)算出濾波器的要求衰減。需要注意的是，在一個(gè)完整的波形整流正弦波中，二階諧波大約為 dc 值的 66.7%。在該輸入電流波形中[9]，二階諧波的百分比轉(zhuǎn)換為相同百分比三階諧波失真。因此，要求濾波器衰減為：

單個(gè)級(jí)應(yīng)具有一個(gè) 或 0.15 的衰減。對于一個(gè)單級(jí)濾波器而言，則為：

參見圖 6，同各組件相對應(yīng)的取值為：R9A = R9B = 390 kΩ、R10 = 120 kΩ、R11 = 18 kΩ，并且 C4 = 0.082 μF、C5 = 0.47 μF。

圖 6 VRMS 電路

3.1.2 IIAC

在高線壓條件下，選擇 IIAC 的值為 500μA。這樣的取值頗具隨意性，但是其應(yīng)該在 1 mA 以下，這樣可以保持在該乘法器的線性區(qū)域以內(nèi)。相應(yīng)地，線路至 IAC 引腳的總電阻大約為 766 kΩ。

3.1.3 RIMO

通過確定乘法器輸出電壓（為了保持在過電流跳變點(diǎn)以下）在低線壓和最大負(fù)載電流條件下為 1V 則可以計(jì)算出乘法器輸出電阻。這樣也就相當(dāng)于變流器的最大感應(yīng)電壓。該條件下的乘法器電流等于 1V/RIMO，并且可以由乘法器方程式換算而得，其結(jié)果為：

在低線壓條件下，IIAC 等于 156μA（如果低線壓等于 85V，IIAC 被設(shè)定為 270V 時(shí)的 500μA），VEA 為其 6V 的最大值，VVRMS 為 1.5V。因此 RIMO 等于 3.2 kΩ。

3.2 電流合成器

由于構(gòu)建在 UC3855A/B 中的電流合成功能使電流傳感被簡化了。當(dāng)開關(guān)為開啟且可以使用一個(gè)變流器對其進(jìn)行感應(yīng)時(shí)，開關(guān)電流同電感電流相同。當(dāng)開關(guān)處于開啟狀態(tài)時(shí)，電流合成器使用一個(gè)同開關(guān)電流成正比例關(guān)系的電流對一個(gè)電容器 (CI) 充電。當(dāng)該開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，電感電流波形將被控制器重新構(gòu)建。為了精確地測量出電感電流，所需做的工作就只是重新構(gòu)建電感電流的下斜坡斜率，其可由下式得出：

使用一個(gè)與 VOUT ? VAC 成正比例關(guān)系的電流對 CI 放電，這樣就可以重新構(gòu)建電感電流波形。該電容器下斜坡斜率為：

通過從一個(gè)與 VOUT 成正比例關(guān)系的電流中減去 IIAC/4，UC3855A/B 就得出了 IDIS。RVS 引腳電壓被調(diào)節(jié)至 3V，因此，RVS 電阻器的選擇就設(shè)定了與 VOUT 成正比例的電流。

RRvs 電流同 IIAC/4 的比應(yīng)該等于 VOUT 與 VAC 的比。因此，如果 IIAC/4 為 125 μA，那么流經(jīng) RRVS 的電流應(yīng)該被設(shè)定為 130 μA。

使電感電流斜坡與電容器電壓斜坡相等，并確定 VAC 等于零時(shí)出現(xiàn)最大斜坡，則可以對 CI 求解，其結(jié)果如下：

其中，N 為變流器 (CT) 匝比，(NS/NP) 和 RS 為電流檢測電阻器。

電流合成器具有大約 20mV 的偏移。該偏移可以引起線電流零交叉情況下的失真。為了消除這種偏移，可以在 VREF 和 IMO 引腳之間連接一個(gè)電阻器。該電阻器值是基于 RIMO 和合成器輸出端偏移量計(jì)算出來。對于一個(gè) 20mV 偏移且 RIMO = 3.3 kΩ 而言，一個(gè)從 VREF 至 1.2MΩ ?IMO 的電阻器可以消除這種偏移。

3.3 電流傳感

3.3.1 變流器

正如我們在前面部分所見，使用 UC3855A/B 合成電感電流十分簡單。只需要直接感應(yīng)開關(guān)電流，并使用一個(gè)電流傳感變壓器便可極為有效地完成這一工作。在該功率級(jí)的阻性感應(yīng)會(huì)帶來過多的功耗。

在實(shí)施變流器時(shí)需要謹(jǐn)記幾個(gè)問題。在數(shù)百千赫茲頻率下，需要解決磁芯復(fù)位問題。功率因數(shù)校正電路中固有的高占空比增加了難度。除此以外，ZVT 電路使感應(yīng)/復(fù)位功能更為復(fù)雜。當(dāng) ZVT 電路開啟時(shí)，其電流從線路中流出。為了最小化線電流失真，應(yīng)該對該電流進(jìn)行測量。在變流器后面放置諧振電感，可以確保 ZVT 電路電流能夠被測量。類似地，當(dāng)主開關(guān)關(guān)閉時(shí)，電流繼續(xù)流入諧振電容器。然而，對這一電流進(jìn)行測量是非常重要的，如果該電容器被連接至 MOSFET 的漏極，且位于變流器下方，那么這一電流便耗掉了線路零相交上的最小復(fù)位時(shí)間，其占空比將接近 100%。圖 7A 顯示了這種結(jié)構(gòu)。如果該變流器沒有足夠時(shí)間來進(jìn)行復(fù)位，那么即使避免了完全飽和，但其也會(huì)開始飽和并降低精度，從而引起零交叉失真。圖 7B 中顯示了一個(gè)更好的結(jié)構(gòu)。在這個(gè)電路中，當(dāng)ZVT 電路啟動(dòng)期間放電時(shí)，測量出電容器電流。由于這種情況發(fā)生在開關(guān)周期的開始階段，因此變流器不會(huì)損失其任何復(fù)位時(shí)間。在變流器上方連接 Cr 不會(huì)對 MOSFET dv/dt 控制產(chǎn)生負(fù)面影響。由于該器件一直控制著平均電流，因此，不管電容器電流是否在開關(guān)周期開始時(shí)或開關(guān)周期結(jié)束時(shí)被測量出來都沒有關(guān)系。

圖 7 還顯示，過濾功能被添加至該變流器次級(jí)，以減少噪聲過濾。該濾波器的帶寬應(yīng)足夠低，以在不影響開關(guān)電流波形的情況下減少開關(guān)噪聲。

圖 7 變流器感應(yīng)

除了位置和復(fù)位問題以外，還必須考慮到實(shí)際變流器結(jié)構(gòu)。使用專門針對 20kHz 頻率下而設(shè)計(jì)制造的變流器，在 100 kHz 及更高開關(guān)頻率下并不會(huì)有較好的性能表現(xiàn)。低頻率設(shè)計(jì)一般均具有太多的漏極電感，以至于不能被用于高頻率運(yùn)行，并且會(huì)引起錯(cuò)誤感應(yīng)和/或噪聲問題。

3.3.2 阻性感應(yīng)

UC3855A/B 仍然可以有阻性感應(yīng)。由于對電流誤差放大器的兩個(gè)輸入端對用戶而言均可使用，因此阻性感應(yīng)實(shí)施起來比較容易。圖 8 顯示了一個(gè)典型結(jié)構(gòu)。該電流誤差放大器的共模范圍為 ?0.3V 到 5.0V。如果最大信號(hào)電平保持在 1V，那么 RIMO 值同上面的計(jì)算值保持一致。這也允許阻性感應(yīng)信號(hào)被饋送到 RSENSE 和 RI 結(jié)點(diǎn)的 ION 中，并被用于峰值限流。推薦使用一個(gè)消除柵極驅(qū)動(dòng)電流影響的濾波器。我們建議，仍然連接 RVS 電阻器，并連接一個(gè) CS 至接地的電阻器，以消除這些高阻抗節(jié)點(diǎn)中注入噪聲的可能性。

圖 8 阻性感應(yīng)

3.4 電流誤差放大器

電流誤差放大器可以確保來自線路的輸入電流遵循正弦曲線標(biāo)準(zhǔn)。放大器的正輸入端為乘法器輸出端。通過一個(gè)電阻器（通常與 RIMO 的值一樣），負(fù)輸入端被連接至電流合成器 (CS) 的輸出端。電流誤差放大器的輸出端在 PWM 比較器中被比作鋸齒波，并且因此結(jié)束了占空比。在該線路的零交叉處，占空比為其最大值。由于該占空比將接近 100%，變流器的正確復(fù)位變得越來越困難。標(biāo)準(zhǔn) PWM 控制器在振蕩器放電期間結(jié)束占空比，但是，由于 ZVT 運(yùn)行，UC3855A/B 則可以按時(shí)達(dá)到100%。如果允許占空比接近100%，那么變流器便開始飽和，并使電流誤差放大器認(rèn)為正從該線路中流出的電流要比正被控制的電流要少。這樣就使電流放大器補(bǔ)償過度，從而引起零交叉上的線電流失真。另外，如果變流器飽和，那么就會(huì)喪失流限功能。由于這些原因，因此我們建議對電流放大器的輸出端進(jìn)行外部鉗位控制，以限制最大占空比。圖9顯示了一個(gè)典型的鉗位電路。

圖 9A 中的鉗位電路性能非常好（見表 1），但是，如果要求有更高的性能，或者要求其工作在一個(gè)寬線壓范圍內(nèi)，那么可以使用圖 9B 中的電路。該電路將鉗位電壓調(diào)節(jié)為與線路成反比例。

A 電流誤差放大器鉗位電路

B 具有輸入電壓補(bǔ)償功能的鉗位電路

圖 9 鉗位電路

設(shè)置鉗位電壓的程序非常簡單。如果在首次啟動(dòng)期間電流放大器鉗位便被設(shè)定為一個(gè)相對較低的值（≈?4 V），那么該系統(tǒng)則可以運(yùn)行，但帶有過大的零交叉失真。一旦該系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，那么鉗位電壓在變流器沒有飽和以前均可以增加，并且線電流具有一個(gè)可接受的 THD 水平。一旦鉗位電壓被設(shè)定，那么便可重復(fù)同其他器件運(yùn)行。在用于通用線路運(yùn)行及 500-W 輸出的實(shí)驗(yàn)電路板中，單級(jí)鉗位被設(shè)定為 5.6V（低線壓、最大負(fù)載條件下），并且一個(gè)可接受的 THD 水平（< 10%）在所有線壓和負(fù)載條件下可以被測量出來。鉗位電壓被設(shè)定在 PWM 比較器斜坡峰值（額定值為 6.5V）以下，以限制 DMAX。將鉗位電壓設(shè)定太低會(huì)引起過多的零交叉失真，因?yàn)樵摲糯笃鞑荒艹浞值乜刂凭€電流。

圖 10A 和 10B 分別顯示了有鉗位電流放大器和無鉗位電流放大器的運(yùn)行情況，而圖 10C 則顯示了將放大器輸出電壓鉗位控制過低（頂部波形為線電流，底部波形為 VCAO）的結(jié)果。將鉗位設(shè)置太高和沒有鉗位的結(jié)果是一樣的。

圖 10 C/A 鉗位對 I 線路的影響

除了必須要考慮到線路電壓作用以外，設(shè)置兩級(jí)鉗位電路的程序均相同。該線路電壓僅為線路補(bǔ)償提供 100mV 到 200mV 的鉗位電壓。

在非常輕或者無負(fù)載的條件下，線路的平均電流要比正常情況下由電流誤差放大器控制的平均電流低。為了防止出現(xiàn)過壓情況，如果誤差放大器的輸出電壓變?yōu)?≈?1V 以下，該器件便進(jìn)入脈沖跳躍模式。脈沖跳躍還會(huì)出現(xiàn)在高線壓和低負(fù)載條件下。當(dāng) CAO 在 1V 以下時(shí)，脈沖跳躍比較器就被激活。在 OVP/ENABLE 電路中，該比較器的輸出變?yōu)橐粋€(gè) OR 柵極輸入，從而使該 OR 柵極輸出增高。該信號(hào)防止了 ZVT 和主柵極驅(qū)動(dòng)升高。

補(bǔ)償電流誤差放大器的程序?qū)⒃谠O(shè)計(jì)程序部分 (IV) 中進(jìn)行討論。

3.5 電壓誤差放大器

輸出電壓被電壓誤差放大器的 VSENSE 輸入感應(yīng)到，并將其同一個(gè)內(nèi)部生成的 3V 參考電壓進(jìn)行比較。放大器的輸出，即 VEA，（在一個(gè)給定輸入電壓情況下）隨著輸出功率的變化成正比例變化。電壓誤差放大器的輸出電壓范圍大約為 0.1V 至 6V。放大器的輸出為乘法器輸入之一，并且一個(gè)低于 1.5V 的輸入電壓抑制了該乘法器輸出。在設(shè)計(jì)程序部分中對本補(bǔ)償電壓環(huán)路的設(shè)計(jì)程序進(jìn)行了大致描述。

3.6 保護(hù)電路> 3.6.1 OVP/ENABLE

UC3855A/B 將使能和 OVP 功能結(jié)合至一個(gè)引腳中。它需要一個(gè)最低 1.8V 的電壓來運(yùn)行該器件，如果低于該電壓值，參考電壓就會(huì)較低，同時(shí)振蕩器被禁用。電壓高于 7.5V 將中斷對柵極的驅(qū)動(dòng)。當(dāng)出現(xiàn)過壓條件時(shí)，應(yīng)將電阻分壓器調(diào)至 7.5V，這樣才能保證以一個(gè)適宜的線電壓進(jìn)行啟動(dòng)。例如，如果將輸出電壓高于 450V 定義為過壓條件，那么 VOUT 至 OVP 引腳之間的分壓器的比例為 60：1。該分壓器就能保證以 76 VRMS (108 VPK) 的線電壓進(jìn)行啟動(dòng)。

3.6.2 電流限制

UC3855A/B 具有逐脈沖限流功能。乘法器功耗限制決定了線路上的最大平均功耗。但是，在瞬態(tài)或過載條件下，峰值電流限制功能是有必要的。通過感應(yīng)開關(guān)電流并將該值饋入 ION，如果開關(guān)電流信號(hào)高于 1.5V（額定值），則可以在一個(gè)中斷柵極驅(qū)動(dòng)信號(hào)的限流比較器上實(shí)施這種功能。

3.7 軟啟動(dòng)

為了確保一個(gè)穩(wěn)定可控的啟動(dòng)，UC3855A/B 提供了軟啟動(dòng) (SS) 功能。SS 引腳為一個(gè)外部電容器提供了 15μA 的電源。該電容器限制了電壓環(huán)路誤差放大器的電源電壓，從而有效地限制了放大器的輸出電壓，以及最大的期望輸出電壓。這樣就能保證輸出電壓以一種可控的方式升壓。

3.7.1 欠壓鎖定

UC3855A 的啟動(dòng)閾值為 15.5V（額定值），并帶有 6V 的滯后，而 UC3855B 的啟動(dòng)閾值為10.5V，并帶有 0.5V 的滯后。

4 曲型應(yīng)用

?

為了能夠說明設(shè)計(jì)程序，并突出需要定義的設(shè)計(jì)參數(shù)，設(shè)計(jì)了這樣一個(gè)典型應(yīng)用。該設(shè)計(jì)規(guī)范為：

• VIN=85-270 VAC
• VO=410 VDC
• PO (max)=500W
• FS=250kHz
• Eff ＞95%
• Pf ＞ 0.993
• THD ＜ 12%

上面提到的那些規(guī)范給出了一個(gè)常見的通用輸入電壓以及中等功耗應(yīng)用。由于軟開關(guān)以及零電壓轉(zhuǎn)換，現(xiàn)在我們可以實(shí)現(xiàn) 250kHz 的開關(guān)頻率。Pf 和 THD 的數(shù)量與 UC3855 可實(shí)現(xiàn)的線路校正相符合。 4.1 設(shè)計(jì)程序

該設(shè)計(jì)程序是對 [8] 所提出內(nèi)容的總結(jié)。但是為了固定組件值和/或指定更多可選用部件，一些值已被更改。 4.2 功率級(jí)設(shè)計(jì) 4.2.1 電感設(shè)計(jì)

ZVT 轉(zhuǎn)換器中的功率級(jí)電感設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)一樣。理想的開關(guān)紋波的數(shù)量決定了所需的感應(yīng)，并且允許更多的紋波來減小電感值。低線路及最大負(fù)載情況下，峰值電流會(huì)出現(xiàn)比較糟糕的情況。峰值功耗為平均功耗的兩倍，并且 VPK 為 VRMS。為了能計(jì)算出輸入電流，需假設(shè)功率為 95%。

電流紋波與峰值電流之間一個(gè)比較好的折衷方案是允許 20% 紋波達(dá)到平均比率。這也使峰值開關(guān)電流保持在 10 A以下。

重新調(diào)節(jié)升壓轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換比率，求出 D 的解，得出：

我們現(xiàn)在能計(jì)算出所需的電感。

4.2.2 輸出電容器選擇

輸出電容值不但會(huì)影響保持時(shí)間，而且還會(huì)影響輸出電壓紋波。如果保持時(shí)間 (tH)為主要的標(biāo)準(zhǔn)，則下面的方程式就給出了 CO 的值：

在這個(gè)例子中，對保持時(shí)間和電容器尺寸進(jìn)行了折衷，并選用了一個(gè)值為 440 μF 的電容器。該電容器庫是由兩個(gè)并聯(lián)的 220μF、450VDC 電容器構(gòu)成。

4.2.3 功率 MOSFET 和二極管選擇

所選用的主 MOSFET 為 Advanced Power Technology 公司推出的 APT5020BN（或同級(jí)別的產(chǎn)品）。該器件規(guī)格為 500V、23A，其 RDS(on) 為 0.20Ω ?(25℃)、COSS ? 500 pF、且采用 TO-247 封裝。一個(gè) 5.1Ω ?的電阻器與柵極串聯(lián)放置，用來抑制啟動(dòng)時(shí)的寄生振蕩，一個(gè)肖特基二極管及 2.7Ω 的電阻與該電阻器并聯(lián)放置以加速關(guān)閉。在 GTOUT 和接地之間也將放置一個(gè)肖特基二極管，以避免引腳被驅(qū)動(dòng)至接地以下，同時(shí)該二極管的放置應(yīng)盡可能的靠近該器件。

所選擇的升壓二極管為 International Rectifier 公司推出的規(guī)格為 15-A、600V 的超速二極管 HFA15TB60（或同級(jí)別的產(chǎn)品）。試回想，一款采用了二極管軟開關(guān) ZVT 優(yōu)勢的轉(zhuǎn)換器。在配置了 ZVT 的情況下，升壓二極管對開關(guān)損耗的影響可以忽略不計(jì)，因此可以使用一個(gè)速度較慢的二極管。但是，在這個(gè)應(yīng)用中，還是很有必要使用超速二極管。

根據(jù)二極管的恢復(fù)時(shí)間，確定 ZVT 電感的尺寸，并且速度較慢的二極管需要配置一個(gè)更大的電感。這就要求一個(gè)相應(yīng)更長的 QZVT 開啟時(shí)間，增加了傳導(dǎo)損耗。較大尺寸的電感還需要更長的放電時(shí)間。為了保證諧振電感能完全放電，主開關(guān)的最短啟動(dòng)時(shí)間應(yīng)近似等于 ZVT 電路啟動(dòng)時(shí)間。這就得出：

DMIN 會(huì)影響不斷運(yùn)行的升壓轉(zhuǎn)換器的最小允許輸出電壓。ZVT 電路的啟動(dòng)時(shí)間為一個(gè)穩(wěn)定的 trr 功能，因此選擇一個(gè)超快二極管使諧振電路損耗保持最小，并對輸出電壓產(chǎn)生最少的影響。由于對于大部分的諧振電路啟動(dòng)時(shí)間而言，有效系統(tǒng)占空比是主開關(guān)啟動(dòng)時(shí)間的主要功能，升壓二極管正極的電壓通過諧振電容器得到抑制。

這些考慮事項(xiàng)建議二極管的恢復(fù)時(shí)間應(yīng)短于 75ns。該設(shè)計(jì)中的平均輸出電流低于 1.2 A，峰值電流為 9.2A。二極管相關(guān)的傳導(dǎo)損耗大約為 2.2 W。

當(dāng)使用一個(gè)超速二極管時(shí)，二極管以極少的開關(guān)損耗模式運(yùn)行。這就提升了整個(gè)系統(tǒng)的效率，并降低了二極管的峰值應(yīng)力。

4.3 ZVT 電路設(shè)計(jì) 4.3.1 諧振電感

ZVT 電路設(shè)計(jì)簡單易懂。該電路具有有源緩沖功能，例如，電感設(shè)計(jì)用于二極管的軟關(guān)閉。選用的 ZVT 電容器用于 MOSFET 的軟開關(guān)。

諧振電感為升壓電感電流提供了一個(gè)預(yù)備電流通道，從而控制了二極管的 di/dt。當(dāng) ZVT 開關(guān)開啟時(shí)，輸入電流從升壓二極管轉(zhuǎn)移至 ZVT 電感?？梢酝ㄟ^確定二極管關(guān)閉速度來計(jì)算出電感值。二極管的逆向恢復(fù)時(shí)間給出了其關(guān)閉時(shí)間。由于實(shí)際電路中的逆向恢復(fù)特性變化多樣，以及各個(gè)廠商對逆向恢復(fù)的定義各異，因此很難計(jì)算出 Lr 的準(zhǔn)確值。電路環(huán)境對逆向恢復(fù)產(chǎn)生影響的例子就是諧振電容器正常的緩沖作用，該電容器限定了二極管正極的 dv/dt。一個(gè)較好的初步估測就是允許電感電流在三次二極管標(biāo)準(zhǔn)逆向恢復(fù)時(shí)間內(nèi)緩慢升高至二極管電流。最大電感值的限制就是其對最小占空比的影響。正如二極管選擇章節(jié)所述，L?C 時(shí)間常數(shù)對 DMIN 產(chǎn)生影響，從而對 VO (min) 產(chǎn)生影響。將 Lr 設(shè)計(jì)得過大也會(huì)增加 ZVT MOSFET 的傳導(dǎo)時(shí)間，并增加諧振電路傳導(dǎo)損耗。當(dāng)減小了 Lr 的值，會(huì)給二極管帶來更強(qiáng)的逆向恢復(fù)電流，并且提高了通過電感和 ZVT MOSFET 的峰值電流。隨著峰值電流增強(qiáng)，存儲(chǔ)在電感中的能量也會(huì)增加（E = 1/2 x L xI2）。為了減少關(guān)閉時(shí)節(jié)點(diǎn)上的寄生振蕩，該能量應(yīng)保持在一個(gè)最小值。

從某種程度上來說，二極管的逆向恢復(fù)是其關(guān)閉 di/dt 的一個(gè)功能。如果假設(shè)有一個(gè)可控 di/dt，那么該二極管的逆向恢復(fù)時(shí)間可以近似估測為 60ns。如果電感將上升時(shí)間限制為 180ns (3 x trr)，則可以計(jì)算出電感。

磁芯損耗以及由此導(dǎo)致的溫度上升限制了電感的設(shè)計(jì)，但不會(huì)使磁通密度飽和。這是由于強(qiáng) ac 電流分量和相對較高的運(yùn)行頻率。一個(gè)好的設(shè)計(jì)程序在 [10] 已作了描述，已超出本文的討論范圍。但是本文已提及到幾個(gè)要點(diǎn)。磁芯應(yīng)該為材質(zhì)較好的高頻率低損耗材料，例如有氣隙的鐵氧體，或鐵鎳鉬磁粉芯 (MPP)。在這一應(yīng)用中一般不宜使用鐵粉磁芯。相對不是太貴的鐵硅鋁磁芯，盡管與 MPP 相比較，具有更高的損耗，但還是可以使用該材質(zhì)磁芯。損耗較高的材料實(shí)際上易于抑制 ZVT 開關(guān)關(guān)閉端的諧振。也可以通過將跨繞線電容保持至一個(gè)最小值的方式來優(yōu)化電感繞組結(jié)構(gòu)。這樣就減少了關(guān)閉端的節(jié)點(diǎn)電容，同時(shí)也減少了所需的衰減量。可以通過分析由 Lr 和 Cr 組成的諧振電路，以及當(dāng)電流流至 lin 時(shí)確定諧振循環(huán)開始的方式找出電感電流。

其中，

由此，峰值電流等于 IIN 與輸出電壓除以諧振電路的特性阻抗的和。降低 Lr，或者增加 Cr 都會(huì)增加峰值電流。電感的設(shè)計(jì)是使用 Magnetics 公司的 MPP core 55209，帶有 33 個(gè)繞組，電感為 8μH。該電感應(yīng)使用 Litz 線或幾股小磁線構(gòu)建，從而將高頻影響最小化。

4.3.2 諧振電容

諧振電容器的大小可以確保主開關(guān)的可控 dv/dt。高效諧振電容器的電容應(yīng)為 MOSFET 電容與外部節(jié)點(diǎn)電容之和。APT5020BN 的輸出電容大約為 500 pF，同時(shí)在外部添加了 500 pF 的電容。該電容器限制了關(guān)閉端的 dv/dt，由此減小了密勒效應(yīng)。另外，由于開關(guān)電流轉(zhuǎn)向至電容器，這樣也減少了關(guān)閉損耗。電容器必須為一個(gè)較好的高頻電容器，同時(shí)也需要較低的 ESR 和 ESL。電容器應(yīng)也能對關(guān)閉端相對較強(qiáng)的充電電流進(jìn)行調(diào)控。兩種比較好的材質(zhì)為聚丙烯膜介質(zhì)，或陶瓷材料。

將 L 和 C 合并可得出諧振 1/4 周期：

現(xiàn)在可以計(jì)算出諧振電流對輸出電壓的影響。試回想，為確保諧振電感在高線壓情況下的放電：

對于一個(gè)升壓轉(zhuǎn)換器而言，則為：

將 (1) 代入 (2)，求解 VO，從而得出：

可以代入先前確定的值求解方程式 (3)，得出一個(gè) 405V 的最小輸出電壓值。這就要求 VO 的設(shè)計(jì)值為 410 V。

4.3.3 ZVT 開關(guān)及整流器的選擇

由于其漏-源電容的放電，因此 ZVT 開關(guān)也會(huì)帶來一個(gè)最小限度的開啟損耗。但是，由于諧振電感限制了開啟電流，因此 ZVT 開關(guān)不會(huì)帶來強(qiáng)電流和電壓交迭。無論如何，開關(guān)都不會(huì)帶來關(guān)閉及傳導(dǎo)損耗。盡管峰值開關(guān)電流確實(shí)高于主開關(guān)電流，但是占空比較小，從而將傳導(dǎo)損耗保持在一個(gè)較低的值。由于平均漏電流較低，因此 ZVT 開關(guān)為一個(gè)或兩個(gè)裸片尺寸的大小，且小于主開關(guān)。ZVT 開關(guān)的開啟時(shí)間為：

峰值 ZVT 開關(guān)電流等于峰值 ZVT 電感電流。通過假設(shè)出一個(gè)方波信號(hào)，可以得出開關(guān) RMS 電流一個(gè)相對保守的近似值。RMS 電流近似值為：

這與最大負(fù)載和最大 ZVT 開啟時(shí)間下峰值大約為 14 A 的情況相符合，但是，RMS 僅為 3.9 A。在這一應(yīng)用中，比較合適的器件是 Motorola MTP8N50E，這是一款 500V、8A、RDS (ON) 為 0.8Ω 的器件。與 主MOSFET 一起，將一個(gè) 5.1Ω ?的電阻器與柵極串聯(lián)放置，從而抑制開啟端的寄生振蕩，同時(shí)將一個(gè)肖特基二極管和電阻器與該電阻器并聯(lián)放置，從而加速關(guān)閉。在 ZVTOUT 至接地端之間放置一個(gè)肖特基二極管，以防止引腳在低于接地時(shí)被驅(qū)動(dòng)。該二極管的位置應(yīng)盡可能的接近該器件。

ZVT 電路所需的整流器也將流過一個(gè)相對較弱的 RMS 電流。tZVT 到負(fù)載期間，二極管 D2 將返還存儲(chǔ)于諧振電感中的能量。D2 應(yīng)為一個(gè)超速恢復(fù)二極管，一般選用與 D1 速度相近的二極管。為 D2 所選用的二極管是 Motorola MURH860，這是一款 trr≈?35 ns、600V 的器件。

當(dāng)電感重置時(shí)，二極管 D3 阻止電流流經(jīng) QZVT 主體二極管。該二極管與 QZVT 一樣，具有相同的峰值和 RMS 電流。D3 應(yīng)為一個(gè)快速恢復(fù)二極管，從而減弱來自諧振電感的 QZVT 的漏-源電容。當(dāng) ZVT 開關(guān)關(guān)閉時(shí)，存儲(chǔ)于 D3 正極節(jié)點(diǎn)電容量會(huì)與 ZVT 電感發(fā)生諧振現(xiàn)象。將這一效應(yīng)最小化會(huì)減少這一節(jié)點(diǎn)上所需的緩沖量。此處所選用的二極管為 MUR460。這是一款 trr≈?75ns、600V、4A 器件。

總而言之，ZVT 電路中的兩個(gè)二極管都有較低的 RMS 電流。除了阻斷電壓（兩種情況下都等于 VO），主要的選擇標(biāo)準(zhǔn)為逆向恢復(fù)時(shí)間。選用具有快速恢復(fù)時(shí)間的器件將減少寄生振蕩、降低損耗以及 EMI。

4.3.4 ZVT 緩沖電路

ZVT 電路需要更多的方法來抑制在 ZVT 電感電流降至 0 時(shí)就會(huì)發(fā)生的寄生振蕩。圖 10A 顯示了沒有經(jīng)過適當(dāng)抑制時(shí) ZVT 電感電流及二極管 D2 正極電壓。該圖表明當(dāng)電感電流開始向輸出端放電（QZVT 處于關(guān)閉狀態(tài)）時(shí)，正極電壓則處于 VOUT（由于 D2 正在進(jìn)行傳導(dǎo)）。當(dāng)電感電流變?yōu)榱?，由于貫穿主開關(guān)體二極管電感的另一端被控制至 0 V，電壓振鈴為負(fù)。正極電壓能輕易地出現(xiàn)負(fù)振蕩，以將輸出電壓翻一倍。這就增加了二極管的反向電壓力，為輸出電壓的三倍！將節(jié)點(diǎn)電容量維持在一個(gè)最小值，并使用快速恢復(fù)二極管，不但可以減少振鈴，而且還可提升電路性能。

一些抑制振蕩的方法已經(jīng)在 [4,7] 中提出。在這一電路中研究了兩種方法，即飽和電抗器和電阻性阻尼。從接地到 D2 正極之間通過一個(gè)二極管連接一個(gè) 51Ω、10W 無電感電阻。飽和電抗器與諧振電感串聯(lián)放置，并利用一個(gè)纏有 8 圈繞組的Toshiba 飽和磁芯 SA 14 x 8 x 4.5 進(jìn)行實(shí)施。電阻性阻尼方法可以防止節(jié)點(diǎn)發(fā)生振蕩。但是，當(dāng) D1 在進(jìn)行傳導(dǎo)時(shí)，這并不能阻止電流流入 D2（這是由于當(dāng) QMAIN 關(guān)閉時(shí)，dv/dt 會(huì)貫穿 Lr）。如果這個(gè)時(shí)候電流流經(jīng) D2，那么當(dāng) QZVT 開啟時(shí)，D2 就會(huì)流過逆向恢復(fù)電流。由于其自身的高阻抗，飽和電抗器能阻止該電流。LS 也能阻止來自節(jié)點(diǎn)電容的 Lr，這就防止了節(jié)點(diǎn)發(fā)生振蕩。

在沒有電阻性阻尼的情況下，飽和電抗器能運(yùn)行完好，而這也是該項(xiàng)設(shè)計(jì)中所選用的方法。飽和電抗器如果能有效的對電路進(jìn)行減振，那么就可以免去電阻性阻尼的安裝。但是，由于設(shè)計(jì)出來的 LS 是用來飽和每一個(gè)開關(guān)循環(huán)，所以磁芯損耗很大一部分取決于材質(zhì)，同時(shí)該損耗能引起磁芯溫度上升過高。在這一電路中，磁芯降溫處理是必需的。通過使用一個(gè)更大的 MS 18 x 12 x 4.5，嘗試了另一個(gè)可選設(shè)計(jì)，該 MS 運(yùn)行時(shí)溫度更低，盡管它也需要進(jìn)行降溫處理。對該電路的優(yōu)化處理能有效地減少 ZVT 電路中的損耗。在該設(shè)計(jì)中，阻尼網(wǎng)絡(luò)損耗大約為 2W。圖 10B 顯示了使用 LS 對節(jié)點(diǎn)進(jìn)行阻尼的相同電路的情況。

圖 11 ZVT 振鈴波形

4.3.5 ZVS 電路

接下來我們將選擇 ZVS 電路組件。在該示例中，使用了一個(gè) 1kΩ 的電阻器來阻止 ZVS 引腳的運(yùn)行。所選用的電容器為 500 pF。這一組合要求大約 200ns 的時(shí)間來完成充電至 2.5V 閾值。

4.4 振蕩器頻率

計(jì)算 CT 值：

4.5 乘法器/分壓器電路

計(jì)算 VRMS 電阻分壓器值：

在低線壓條件下 (85 VRMS)，將 VRMS 設(shè)置為 1.5V

如果確定了其中一個(gè)電阻器（因?yàn)榇颂幱袃蓚€(gè)方程式，三個(gè)未知量），就可求解電壓分壓器。假設(shè)分壓器中值較低的電阻器為 18 Kω，則：

RTOTAL=18kΩ×51=918 kΩ

設(shè)置 R10=120 kΩ，得出：

R9=918kΩ-120kΩ-18 kΩ=780kΩ

R9 被分成 2 個(gè)電阻器（每一個(gè)為 390 kΩ），以降低其電壓應(yīng)力。

計(jì)算出電容值，將濾波器極置于 18Hz，則：

其中：REQ=R9II(R10+R11)=117kΩ

為了在不降低系統(tǒng)性能的情況下合并電容值，可以將 C4 選擇為 0.1μF。

計(jì)算 IAC 電阻值：

在高線壓情況下，將 IIAC 設(shè)置為 500μA。

將 2 個(gè) 390kΩ 電阻器串聯(lián)，以降低電壓應(yīng)力。

4.5.1 RIMO 的計(jì)算

在低線壓條件下，IIAC=156μA 且乘法器輸出應(yīng)等于 1V。低線壓與最大負(fù)載情況下，VEA 為其最大值 6V，因此使用乘法器輸出方程式：

一個(gè) 1000pF 的電容器與 RIMO 并聯(lián)放置，以實(shí)現(xiàn)噪聲過濾。由于 RIMO 兩端的電壓為乘法器輸出，且為電流誤差放大器的參考電壓，因此 RC 極點(diǎn)頻率應(yīng)設(shè)置為高于 120Hz 的乘法器信號(hào)。 4.6 電流合成器

首先，應(yīng)為變流器選擇一個(gè)匝比。變流器是設(shè)計(jì)用來在峰值輸入電流情況下產(chǎn)生 1V 的電壓。在達(dá)到電流極限跳變點(diǎn) (1.4V) 之前，這樣就能容許足夠的裕度。如果 IPK為 9.5A，那么比較合適的匝比為 50：1。這一匝比使感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)損耗低于 150 mW，并且允許使用一個(gè) 1/4W 的電阻器。對檢測電阻器求解，得出：

在前面的電流合成器章節(jié)中提到 RVS 等于 22 kΩ。現(xiàn)在就可以計(jì)算出電流合成器的電容：

4.7 控制環(huán)路設(shè)計(jì) 4.7.1 小信號(hào)模型

ZVT PFC 升壓轉(zhuǎn)換器的小信號(hào)模型與標(biāo)準(zhǔn)的 PFC 升壓轉(zhuǎn)換器模型相似。在大多數(shù)開關(guān)循環(huán)情況下，兩種轉(zhuǎn)換器運(yùn)作基本一樣，但是在開關(guān)瞬態(tài)時(shí)，兩者略有不同。這就使得控制環(huán)路的設(shè)計(jì)應(yīng)按照 [9] 中概述的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)進(jìn)行。

4.7.2 電流環(huán)路設(shè)計(jì)

可在 [5、9、11] 中找到較好的電流環(huán)路設(shè)計(jì)參考方案。平均電流模式控制環(huán)路的設(shè)計(jì)以交叉頻率的選用開始。在這一示例中開關(guān)頻率為 250 kHz，因此單位增益交叉頻率可以選擇為 40 kHz（開關(guān)頻率的 1/6）。但是，在該電路中，所選用的交叉頻率為 10 kHz。由于電流環(huán)路主要用于跟蹤線電流，因此對于該應(yīng)用而言，一個(gè) 10 kHz 的帶寬就足夠了。

一旦確定了交叉頻率 (fC)，接下來要做的就是計(jì)算出功率級(jí)的增益。包括電流感應(yīng)網(wǎng)絡(luò)在內(nèi)的功率級(jí)的小信號(hào)模型已在下面給出。該模型不包括開關(guān)頻率為一半 [12] 情況下的采樣結(jié)果，但卻是一個(gè)在相關(guān)頻率下較好的近似值。

UC3855A/B 的振蕩器斜坡為 5.2 VPP (VSE)。術(shù)語 RSENSE 是指實(shí)際輸入電流到感應(yīng)電流的衰減（即，其包括變流器的匝比）。使用前面所確定的分量值并求出功率級(jí)增益在 fC 時(shí)的解，可得出 10 kHz 下的增益為 0.63。為了在 fC 時(shí)得到一個(gè)的值為 1 的增益，誤差放大器必須在 10 kHz 時(shí)具有一個(gè) 1/0.63 的增益。圖 12A 顯示了誤差放大器，其頻率響應(yīng)如圖 12B 所示。電阻器 RI 等于 3.3 kΩ，因此所選用的反饋電阻器為 5.6kΩ。在交叉頻率下放置一個(gè)零點(diǎn)，從而得到一個(gè) 45 度的相位裕度。為了減少開關(guān)噪聲，應(yīng)在一半開關(guān)頻率的放置一個(gè)極點(diǎn)。下面對設(shè)計(jì)步驟作了總結(jié)。

圖 12 電流誤差放大器示意圖

4.7.3 電壓環(huán)路設(shè)計(jì)

電壓環(huán)路的設(shè)計(jì)應(yīng)遵循 [5] 中給出的步驟。第一步是確定輸出電容器上的紋波量。

為了滿足 3% 的 THD 規(guī)范，由于饋通至電壓誤差放大器的輸出紋波電壓產(chǎn)生的失真極限為 0.75%，這就允許乘法器的失真為 1.5%，其他失真為 0.75%。誤差放大器上一個(gè) 1.5% 的二階諧波將會(huì)導(dǎo)致輸入端上的 0.75% 的三階諧波失真。在滿負(fù)載情況下，所允許的峰值誤差放大器紋波電壓為：

120 Hz 時(shí)誤差放大器增益為所容許的誤差放大器紋波電壓除以輸出紋波電壓，或?yàn)?0.009 (?41 dB)。所選用的誤差放大器輸入電阻為 1.36 MΩ，以來保持較低的功耗，并容許一個(gè)較小的補(bǔ)償電容值。使用兩個(gè)值為 681-kΩ 的串聯(lián)電阻器來減少電壓應(yīng)力。圖 13 為電壓誤差放大器示意圖，該放大器的增益為 120-Hz，由 CF 和 RI 積分函數(shù)確定。該網(wǎng)絡(luò)具有一個(gè)單極角色完成 (role off)，并可以輕易的找到電容值，以給出在 120 Hz 時(shí)所需的增益。

圖 13 電壓誤差放大器

現(xiàn)在可以計(jì)算出交叉頻率，從而確認(rèn)在交叉頻率下放置了一個(gè)電極（由于 Cf 和 Rf的合并），以提供足夠的相位裕度。由于功率級(jí)隨著與其關(guān)聯(lián)的 90 度相位滯后有一個(gè)單極響應(yīng)，因此極點(diǎn)的放置決定了相位裕度的大小。如果在交叉頻率下放置誤差放大器極點(diǎn)，那么環(huán)路的總體增益具有一個(gè) 45 度的相位裕度。功率級(jí)增益可由下式得出：

電壓環(huán)路增益 (TV) 為功率級(jí)增益和誤差放大器增益的乘積。為了得出交叉頻率，應(yīng)對 f 求解，并設(shè)為 1。

誤差放大器增益為：

那么交叉頻率大約為 11 Hz，從而可以計(jì)算出電阻 Rf，以在 f 上放置極點(diǎn)。

最后，電阻器 RD (10 kΩ) 將 dc 輸出電壓設(shè)置為 410 V。

4.8 OVP/ENABLE

輸出電壓高于 450 V 則被定義為過壓狀態(tài)。為了避免出現(xiàn) OVP，450V 情況下的比較器所需的分壓器為：

將分壓器中的下層電阻器設(shè)定為 33 kΩ，頂層的電阻器則為 2 MΩ，兩個(gè) 1MΩ ?的電阻器串聯(lián)放置，以降低電壓應(yīng)力。一個(gè) 10nF 的電容器與 33kΩ 的電阻器并聯(lián)放置，以進(jìn)行噪聲過濾。

借助該分壓器，轉(zhuǎn)換器在 76 VRMS 時(shí)開始啟動(dòng)，這就實(shí)現(xiàn)了在大大低于低線壓情況下的啟動(dòng)。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

示例轉(zhuǎn)換器是構(gòu)建用來展示電路性能的。該電路性能良好，并在全線壓和負(fù)載范圍內(nèi)進(jìn)行了測試。

圖 14 顯示了 ZVT 與一個(gè)傳統(tǒng)的升壓轉(zhuǎn)換器的效率數(shù)據(jù)，其是通過簡單移除一些 ZVT 組件得到的。為了穩(wěn)定功率半導(dǎo)體的溫度，傳統(tǒng)電路需要一個(gè)風(fēng)扇進(jìn)行降溫。從該數(shù)據(jù)中可以看出，低線壓情況下，ZVT 電路比傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器更具優(yōu)勢。在更高線電壓情況下，直到兩個(gè)功率級(jí)達(dá)到高線壓時(shí)，優(yōu)勢才有所減少。這與其他報(bào)告數(shù)據(jù) [4、13] 相吻合，也是可以理解的。在低線壓情況下，更高的輸入電流會(huì)導(dǎo)致傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換器中更多的開關(guān)損耗，而 ZVT 轉(zhuǎn)換器的開關(guān)損耗并不會(huì)增加（低線壓情況下兩種轉(zhuǎn)換器的傳導(dǎo)損耗均會(huì)增加）。

圖 14 效率數(shù)據(jù)

圖 15 顯示了 ZVT 和主開關(guān)柵極驅(qū)動(dòng)，以及主開關(guān)漏-源電壓。ZVT 柵極驅(qū)動(dòng)在主開關(guān)之前走高，同時(shí)主開關(guān)開啟前將漏極電壓驅(qū)動(dòng)至零。此外，還應(yīng)該注意到，漏-源電壓波形圖非常清晰，沒有過沖或振鈴，這就減少了器件上的 EMI 和電壓應(yīng)力。圖 16 顯示了 ZVT 電路波形圖。頂層跡線顯示了 Lr 中的電流。該波形得到很好的抑制，峰值電流大約為 6A。圖 17 顯示了電流合成器波形圖。頂層波形圖為再現(xiàn) CI 波形圖，底層的波形圖為電感電流。兩個(gè)波形圖顯示出較好的一致性。再現(xiàn)圖與實(shí)際波形圖之間的任何誤差在高線壓情況下都為最大，并且一般都是由合成器電路中一些微小的失調(diào)電壓誤差引起的。

圖 15 ZVT 波形

圖 16 功率級(jí)波形

圖 17 電流合成器波形

圖18顯示了低線壓及最大負(fù)載情況下的輸入線路電流。THD 和功率因數(shù)都處于容許極限內(nèi)。表 1 給出了帶有單個(gè)極點(diǎn)電流誤差放大器鉗位電路的幾種線壓及負(fù)載情況下的 THD 和功率因數(shù) (pf) 測量方法。表 2 顯示了帶有圖 9B 中所示的兩級(jí)鉗位電路的 THD 和 pf。

圖 18 線路電流

表 1 THD 和 PF與單級(jí)誤差放大器鉗位電路線路的對應(yīng)關(guān)系

線路 (VAC)	THD 百分比	Pf
100	6.3	0.998
120	4.5	0.999
200	8.9	0.996
230	10	0.995

表 2 THD 和 PF與兩級(jí)誤差放大器鉗位電路線路的對應(yīng)關(guān)系

線路 (VAC)	THD 百分比	Pf
100	4.95	0.999
120	5.30	0.998
200	5.45	0.998
230	5.83	0.998

表 3 功率級(jí)廠商

L1、L2	Magnetics、Butler、PA (412) 282?8282
尖峰抑制器	Toshiba、Westboro、MA (508) 836?3939
Qmain	APT、Bend、OR (503) 382?8028
D1	International Rectifier、El Segundo、CA (310) 322?3331
QZVT、D2、D3、D4	Motorola、Phoenix、AZ (602) 244?3550

圖 19 UC3855A/B 的典型應(yīng)用