交錯式升壓功率因數校正 (PFC) 轉換器可以通過負載均流來提高效率，因此它已成為高功率應用的首選拓撲。通過在多個平衡相位中分擔負載電流，可以顯著減小每相的 RMS 電流應力、電流紋波和升壓電感大小。因此，重載效率顯著提高，從而允許選擇高性價比的功率 MOSFET 和升壓二極體，並有利於延長電源的使用壽命。
FAN9673 先進 PFC 控制器是實現高功率 PFC（數千瓦以上）的出色解決方案。FAN9673 是一款連續導通模式 (CCM) PFC 控制器，用於三通道交錯式升壓型預調節
FAN9673 整合了用於實現前沿調製、平均電流模式、升壓型功率因數校正的電路，可實現完全符合 IEC61000-3-2 [WC1] 規範的電源設計。FAN9673 還具有創新的通道管理功能，支持根據 CM 引腳上的電壓平穩地加載/卸載從通道的功率電平，從而改善 PFC 轉換器的負載瞬態響應。
本文將介紹使用FAN9673的3通道交錯式CCM升壓PFC的實際設計注意事項, 其中包括設計升壓電感和輸出濾波器，選擇元器件，實現平均電流模式控制的過程，然後通過實驗性5KW原型轉換器驗證該設計過程。
圖 1 所示為 PFC 變換器的典型應用電路。
設計過程
本部分以圖 1 所示原理圖為參考來介紹設計過程。設計示例選擇 5 kW 額定輸出功率、三通道 CCM 交錯式 PFC，使用歐洲輸入範圍（高壓單範圍）。設計規格如下：
表 1. 設計規格
整個系統由三個並聯升壓 PFC 級組成，如圖 2 所示，因此 PFC 級的輸入功率為：
（公式1）PFC 級的輸出電流由下式確定：
（公式2）每個升壓級的輸出電流由下式確定：
（公式3） 
圖 2. PFC 級配置
設計示例
（公式4）
（公式5）
（公式6）
（公式7）
FAN9673 的內部振盪器頻率由 RI 引腳上的外部電阻 RRI 決定。開關頻率由定時電阻 RRI決定，計算公式為：
（公式8）保證開關頻率範圍為 18 kHz ~ 40 kHz 和 55 kHz ~ 75 kHz。
設計示例
選擇 20 kΩ 的 RRI 以獲得 40 kHz 開關頻率。
（公式9）
FAN9673 使用 IAC 引腳檢測線路電壓的峰值，如圖 3 所示。線路電壓峰值由峰值檢測電路使用採樣保持法獲得。同時，通過檢測經 RIAC 流入 IAC 引腳的電流來獲得瞬時線路電壓信息。
RIAC 應根據輸入電壓範圍加以選擇。對於通用交流輸入 (85 V ~ 264 V)，VVIR 應設置為 < 1.5 V，RIAC 應選擇 6 MΩ。如果輸入為高壓單範圍交流輸入 (180 V ~ 264 V)，VVIR 應設置為 > 3.5 V（最大值為 5 V），RIAC 應選擇 12 MΩ。VVIR 應根據交流輸入範圍確定。VVIR 的設置會影響增益調製器的增益、RDY 引腳遲滯和加電/掉電遲滯。
（公式10）
（公式11）
圖 3. 線路檢測電路
設計示例
該 PFC 專為高壓單範圍交流輸入 (180 V ~ 264 V) 而設計。RIACRIAC 應選擇 12 MΩ，RVIR 為：
（公式12）
對於 180 V ~ 264 V 的交流輸入範圍，RVIR 選擇 470 kΩ。
升壓開關在線路電壓峰值時的占空比由下式確定：
（公式13）
那麼，升壓電感在最小交流線路電壓峰值時的最大電流紋波為：
（公式14）
在最小交流輸入的線路電壓峰值時，升壓電感電流在一個開關周期內的平均值由下式確定：
（公式15） 
對於給定電流紋波係數 (KRF=DIL/ILAVG )，升壓電感值可通過下式獲得：
（公式16）
（公式17）
設計示例
在最小交流輸入的峰值時（假設它是 PFC 掉電電壓），升壓電感電流在一個開關周期內的平均值由下式確定：
（公式18）
（公式19）升壓電感的最大電流為：
（公式20）
圖 5. PFC 輸出電壓紋波選擇 PFC 輸出電容時應考慮輸出電壓紋波。圖 5 顯示了輸出電壓上的線路頻率紋波。對於給定輸出紋波規格，輸出電容的值可以通過下式獲得：
（公式21）
其中 IOUT-TOT 是升壓 PFC 級的標稱輸出電流，VPFC-RIPPLE 是峰峰值輸出電壓紋波。
確定輸出電容值時還應考慮保持時間：
（公式22）
其中 POUT-TOT 是升壓 PFC 級的標稱輸出功率；tHOLD 是所需的保持時間，VPFC-MIN 是保持期間允許的最小 PFC 輸出電壓。
設計示例
峰峰值電壓紋波規格為VPFC的5%，故電容應為：
（公式23）
假設一個周期 (15 ms) 壓降期間的最小允許輸出電壓為 300 V，則電容值應為：
（公式24）
本例中的 PFC 輸出電容選用 3 個並聯的 680 mF 電容。在此設計示例中，三通道 PFC 的目標應用是家用電器電源，因此沒有保持時間要求。
第6步 ：輸出檢測和 PVO 設置
為了提高系統效率，FAN9673 集成了可編程 PFC 輸出電壓功能 (PVO)。如圖 6 所示，當 PFC 輸出電壓遠高於交流輸入的峰值電壓時，用戶可以從 MCU 向 PVO 引腳發送直流信號以降低 PFC 輸出電壓。
建議將 PFC 輸出電壓設置為至少比交流輸入的峰值電壓高 25 V。此外，還需要考慮與 PFC 輸出電壓調節密切相關的其他因素，例如保持時間、PF 和輸入電流的 THD 標準。
VPVO 與調節 PFC 輸出電壓的反饋電壓目標值之間的關係為：
（公式25）
（公式26）
圖 6. 兩級 PFC 輸出模塊設計示例
將 PFC 輸出電平設置為 393 V，RFB3 = 23.7 kΩ：
（公式27）
對於低交流輸入 200 V，設置 VPFC2 = 350 V，所需 VPVO 為：
（公式28）
PVO 功能用於改變 PFC 的輸出電壓 VPFC，它應至少比 VIN 高 25 V。
第7步 ：電流檢測和限流
圖 7. PFC 控制電路
（公式29）
（公式30）RM 是乘法器的輸出電阻，用於將電流命令轉換為電壓型信號。GMAX 為 2，是根據內部控制環路的係數和在 POUT-MAX 條件下預先假設的 VVEA 電平（4~5V 左右）得出的。
設計示例
每個 PFC 級的最大功率限值設置為 2.167 kW（每通道滿負載的 130%），電流檢測電阻可通過下式獲得：
（公式31）
選擇 15 mΩ 電阻。 
FAN9673 有三個限流因素可防止輸出過流和電感飽和：VEA、VILIMIT 和 VILIMIT2。VEA 控制平均輸送功率。VILIMIT 箝位增益調製器生成的最大電流命令。VILIMIT2 設置逐脈衝限流。我們在設計 RCS 時已處理了 VEA。ILIMIT 和 ILIMIT2 引腳從 RI 引腳提供鏡像電流。用戶可以通過連接這兩個引腳上的電阻 RLIMIT 和 RILIMIT2 來設置限流閾值 VILIMIT1 和 VILIMIT2。
圖 9. ILIMIT 的內部模塊
一般來說，在提高輸出功率期間，VILIMIT 應在 VILIMIT2 之前觸發，因為 ILIMIT2 用於防止電感飽和損壞開關。
通常將 PFC 級的最大功率限值設置為滿負載的 120% ~ 150% 左右，同時 VVEA 約為 4 ~ 4.5 V。
電阻 RILIMIT 可以通過下式計算得出：
（公式32）其中“3”為 FAN9673 的通道數，1.8 為選擇的箝位比。
關於 ILIMIT2 電平的選擇，用戶可以使用最大功率的 150% 作為設置值。它用於保護開關器件。用戶也可以使用半導體器件的最大電流額定值降額 10% 到 20% 後作為限值。ILIMIT2 設置通過下式獲得：
（公式33）
設計示例
（公式34）
選擇 fSW= 40 kHz。鏡像 IILIMIT2 和 IILIMIT 為：
（公式35）
（公式36）
（公式37）
選擇 10 kΩ 電阻來設置 VILIMIT2。
VILIMIT 的設置通過下式獲得： 
（公式38）
RILIMIT 選擇 30 kΩ 電阻。
註：文章引用onsemi公眾號公開文章"手把手教您如何設計3通道交錯式CCM 升壓PFC“，原網站：手把手教您如何設計3通道交錯式CCM升壓PFC（上篇） (qq.com)
了解更多內容請訪問以上原網站及onsemi 官方網站Intelligent Power and Sensing Technologies | onsemi
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