关键词：功率因数校正；多级交错；混合控制器；STNRGPF12；设计软件

1  引言

为改善输入功率因数，减小输入电流的谐波含量，有源功率因数校正（APFC）技术广泛应用于各类电子设备中，以满足IEC61000-3-2^[1]、IEC6100 -3-12^[2]等标准对谐波电流的限制。为提高功率等级和系统效率，降低磁件尺寸和缩小成本，便于电解电容选型和简化设计流程，多采用有多级交错有源PFC。相比单级APFC，两级交错APFC磁芯体积减少30%，三级交错APFC磁芯体积减少45%。由于等效斩波频率加倍，EMI滤波器尺寸减少。输入电容电流有效值减少，可以采用较高ESR的电容。传输功率在多通道内完成，功率开关热管理得到改善。

多级交错有源PFC可以采用数字控制器，也可以采用模拟控制器，后者包括TI公司两级UCC28070、Fairchild公司两级FAN9672和三级FAN9673、Renesas公司两级和四级R2A20112和R2A20114/104等。ST公司推出模拟和数字混合控制器，包括两级控制器STNRGPF02和STNRGPF12^[3,4,5,6]，并推出三级控制器STNRGPF03。STNRGPF12支持单向晶闸管数字电气软上电，具有无振动而断开、使用命长和可靠性高等优点。STNRGPF02和 STNRGPF01^[7]支持传统继电器机械软上电，上电电路简单和使用器件数量少。为了加快和方便设计，ST公司提供了在线设计软件eDesignSuite^[8]，用户只需按照步骤给出设计规范，eDesignSuite就会给出建议的电路原理图和元器件清单，并生成二进制代码，可以通过UART串行线下载到混合控制器的存储器中。

本文以STNRGPF12为例，首先分析单向晶闸管与二极管构成混合整流桥后接电解电容的软上电原理，并介绍如何采用eDesignSuite设计基于STNRGPF12的两级交错APFC。

2  上电突波电流限制原理

由二极管、二极管和单向晶闸管构成的整流桥，后接电解电容作为滤波稳压元件，在交流电源上电时需要考虑软上电措施，否则会引起高峰值的突波电流，造成多种危害，为此需要设计软上电措施。实际中可采用的软上电措施有多种。依据器件是否最终切除，主要包括两大类：

   （1）电阻限流法，在直流正极或交流火线上使用阻性元件（功率电阻和热敏电阻），与电解电容构成串联支路，充电完成后采用机械开关（继电器）或功率开关（IGBT、功率MOSFET或单向晶闸管）短接或旁路阻性元件。当采用机械开关时，正常运行时，没有额外功耗；

    现有软上电方案均存在一个问题，尤其对于三相二极管整流电路，没有考虑所有上电电阻在上电过程中的总损耗，因而也没有制定相应的上电电路和上电方案。由于电路的严重非线性问题，上电过程中上电电阻的总损耗的计算非常困难，因而也就没有上电过程中上电电阻总损耗最小的软上电方案。

    经过细致反复的计算机辅助分析，发现在滤波或储能电解电容充电充满过程中，不同的技术方案中上电电阻总损耗不一样，因此可以充分利用该发现，涉及合理的上电方案，以便降低上电损耗，实现节能减排目的。

    具体地，（1）直流电源供电时，上电电阻总损耗相对电解电容储能的比例最高，为100%；（2）三相二极管整流电路中，上电电阻置于直流正极，上电电阻总损耗相对电解电容储能的比例最低，大约为92.62~92.63%；（3）三相二极管整流电路中，三只上电电阻分别置于三相交流线路，上电电阻总损耗相对电解电容储能的比例最低，大约为89.4%；（4）三相二极管整流电路中，两只上电电阻分别置于任意两相交流线路，上电电阻总损耗相对电解电容储能的比例最低，大约为85.1%；（5）单相二极管整流电路中，不论上电电阻处于交流侧，还是直流侧，上电电阻总损耗相对电解电容储能的比例最低，电容取值较小时大约为79.47%（网压峰值时上电）和0.7826%（网压过零时上电），电容取值较大时，该比例大约为79.1%，与上电初始时间基本没有关系。因此非常有必要采取选择单相网压过零时上电措施，实现上电节能降耗。

    对于单相二极管整流电路，限流电阻可以置于交流火线、直流正极、电解电容负极、一个或两个整流桥臂，也可以采用分级上电，具体方案较多。

    从节能的角度，单相整流电路软上电方案非常适合三相整流电路软上电，可以采用的具体电路如图1、2、3、4、5所示。

图1  三相整流电路软上电方案1

    图1中，上电合闸后，只有线电压uac进行单相整流，上电结束后，两只继电器动作，短接a相限流电阻和b相断线。

图2 三相整流电路软上电方案2

    图2中，上电合闸后，c相处于断相，只有线电压uab进行单相整流，上电结束后，触发三只晶闸管导通，短接限流电阻，并接通c相。

图3 三相整流电路软上电方案3

    图3中，上电合闸后，通过单相整流桥（D7~D10）和限流电阻上电，只有线电压uab进行单相整流，上电结束后，驱动继电器动作，短接直流负极，单相整流桥（D7~D10）和限流电阻保持不变。

图4 三相整流电路软上电方案4

    图4中，上电合闸后，通过第一单相整流桥（D1~D4）和第二单相整流桥（D5~D8）和限流电阻上电，只有线电压uab进行单相整流，上电结束后，驱动两只继电器动作，短接限流电阻和接通第三单相整流桥（D9~D12）的正极。

图5  三相整流电路软上电方案5

    图5中，上电合闸后，控制电路检测线电压uab，并通过比较电路和光电耦合器检测到线电压uab过零信息，并在过零时驱动晶闸管TH1导通，开始软上电过程，当软上电结束时，控制电路发出驱动信号驱动继电器动作，短接上电电阻和晶闸管构成的支路。这是一种最节能的上电方案。

   （2）电感限流法，单相整流电路高端（或低端）开关采用单向晶闸管、低端（或高端）采用普通功率二极管，构成混合整流电路。交流侧采用低值电感，或利用EMI滤波器中差模电感或利用功率因数校正电感，交流电源上电时，单向晶闸管控制角按照一定的规律由大（接近180°）变小至90°，充电电流电流断续但峰值受控。上电结束后控制角设置为0°，单向晶闸管作为二极管使用，单向晶闸管导通压降一般低于二极管导通压降，运行中功耗低，但是需要两组单向晶闸管驱动电路。

STNRGPF12支持电感限流法，如图6所示，图中单相二极管整流桥高端采用单向晶闸管，网侧采用低感值限流电感，低值电感可以取值网侧EMI滤波器的差模电感，或将电感置于直流侧正极，即采用单相APFC的升压电感，如图7和图8所示。

图6 STNRGPF12交流侧电感限流的单相混合整流电路

图7 STNRGPF12直流侧电感限流的单相混合整流电路

图8 STNRGPF12直流侧电感限流的单相二极管整流电路

以图6为例，上电时可使得单向晶闸管控制角以较低斜率线性或非线性下降至略低于90°，此时充电过程基本结束，随后可以将单向晶闸管控制角设置为0°。控制角变化过程大致可以划分为四个阶段，如图9所示，图中控制角

图9 上电过程中网侧电流和电解电容电压变化波形

STNRGPF12具有零电压检测电路，实时检测网压过零，在芯片内部完成数字锁相环（PLL），以此作为确定不同电源正负周期中两只单向晶闸管控制角依据。

上电开始阶段：两只单向晶闸管控制角接近180°，网侧窄电流脉冲起始于驱动脉冲初始时刻，结束于随后的网压过零之后，电流脉冲较低；

上电进行阶段：控制角小于180°时，网侧窄电流脉冲起始于驱动脉冲初始时刻，结束于随后的网压过零之前，电流脉冲较高；

上电基本结束阶段：控制角接近90°时，网侧窄电流脉冲起始于驱动脉冲初始时刻，结束于随后的网压过零之后，电流脉冲较低；

上电结束阶段：控制角小于90°时，网侧窄电流脉冲起始于网压峰值附近，电流脉冲非常低，此时可以将控制角置为0°。

当380V交流电压供电且电解电容取值为4*330mF、滤波电感为1mH时，上电过程中网侧电流和电解电容电压变化波形如图10所示，可见电容电压缓慢上升至网压峰值，网侧电流呈现窄脉冲形状且幅值控制在10A以内。

图10 上电过程中网侧电流和电解电容电压波形

仿真分析表明，当采用电阻元件软上电时，在容值不变情况下，电阻元件总耗能基本不变。但是当采用STNRGPF12的数字上电方案时，网侧需要使用低值限流电感，否则无法抑制电流峰值，限流电感总功耗远远低于电阻限流法时电阻总耗能，而且同样电压和电流等级的单向晶闸管的管压降低于二极管的管压降大约0.2V，因此在上电结束以后正常运行期间，除了单向晶闸管需要的驱动功率外，再考虑到继电器工作时的损耗，可以认为电感限流软上电是一种节能型软上电。对于图6和图7，上电过程中可以只采用使任意一只单向晶闸管工作。

单相整流电路的电感限流法可以推广到三相整流电路，如图11和图12所示。图11的基本工作原理是：按照单相整流电路软上电基本方法，调节单向晶闸管TH1和TH2的控制角，采用线电压进行上电，上电完成时，设置三只单向晶闸管控制角均为零。图12的基本工作原理是：按照单相整流电路软上电基本方法，调节双向晶闸管TB1的控制角，采用线电压进行上电，上电完成时，设置两只双向晶闸管TB1和TB2控制角均为零。

图11  直流侧电感限流的三相混合整流电路

图12直流侧电感限流的三相二极管整流电路

3  STNRGPF12交错APFC实现

  STNRGPF12为两级交错APFC专业控制器，工作在连续电流采样（CCM）和平均电流模式（ACM）以及固定开关频率，采用混合控制，电流内环采取模拟控制，电压外环以及其它功能采取数字控制，可以实现数字突波电流控制。基于STNRGPF12两级数字交错APFC结构如图13所示，图中，电流内环采用硬件补偿器和确保逐周期调节，电压外环采用数字控制器且对响应时间要求不苛刻。每个通道开关频率可达150kHz，因而使用电感取值较低。工作在连续导电模式（CCM）和平均电流模式（ACM），开关频率固定。

图13 基于STNRGPF12的两级交错APFC简图

该控制器可以采用专业软件工具（eDesignSuite）进行配置，生成最终完整原理图，包括元件清单和二进制目标代码（FW），采用UART串行接口可以直接下载到该控制器存储器中。STNRGPF12具有较宽的应用范围，包括焊机、空调、电机、UPS、充电器和其它较大功率系统。STNRGPF12外观与引脚配置如图14所示，采样TSSOP-38封装类型。

图14 STNRGPF12外观与引脚配置

4  STNRGPF12交错APFC的设计与实现

4.1 交错APFC的设计

采用ST公司提供的eDesignSuite可以定制出符合设计SPEC的电路原理图和元器件清单。

主要设计参数如下：

（1）输入侧：电源电压185~265V，47~53Hz，额定电压220V；

（2）输出侧：标称输出端电压400V，输出功率2.0kW，纹波电压峰值20Vpp，保持时间20ms，输出上限电压448V，输出下限电压300V；

（3）其它参数：两通道，升压电感273mH，开关频率60kHz，电感电流纹波系数70%，期望网侧功率因数0.99，期望平均效率0.98。

eDesignSuite提供的电路原理如图15所示，器件选型和参数选择可以采取定制设计和自动设计。经过计算，给出功率电路各元件推荐型号，计算出输入电流检测电路、输出电流检测电路、开关电流检测、过流检测、三角波发生器、MOSFET驱动器、Salley-Key滤波器、电流内环单零单极调节器等重要模拟电路的推荐参数，其中电压外环幅频特性如图16所示，电流内环幅频特性如图17所示，主要发热元件损耗计算结果如图18所示。

图15 eDesignSuite生成功率电路与控制电路

从图16和17中可见，控制器设计合理，稳定裕量充足。从图8中可见，总损耗为36.37W，效率可达98.21%，整流桥发热占比过大（44.59%），其次为反向快速恢复二极管（27.46%）、功率MOSFET（13.60%）、EMI滤波器（7.07%）、输出电流检测（2.89%）、输入电流检测（2.39%）和开关电流检测（1.00%），杂散损耗占1.01%。

图16 电压外环幅频特性

图17 电流内环幅频特性

图18 主要发热元件损耗计算结果

4.2  交错APFC的实现

根据eDesignSuite提供的电路原理图和元器件清单，绘制交错APFC的电路原理图，绘制、加工和焊接PCB，得到实验样机，其中功率电路和检测电路原理如图19所示，控制电路原理如图20所示，实验样机如图21所示。采用UART串行总线，将生成的二进制代码下载到STNRGPF12存储器中。

（a）EMI电路

（b）晶闸管和二极管混合整流电路

（c）晶闸管驱动电路

（d）输入交流电压瞬时值和过零检测电路

（e）VIPER26HD原边调制的开关电源电路

（f）功率开关IGBT驱动电路

（g）直流负极分流电阻差放电路

（h）Sallen-Key滤波电路

（i）电流内环控制电路

（j）三角载波发生电路

（k）功率开关电流检测电路

（l）输出电压与输出电流检测电路

（m）测温电路

（n）插座

图19 STNRGPF12两级数字交错APFC功率电路

图20 STNRGPF12两级数字交错APFC控制电路

图21  STNRGPF12两级数字交错APFC实验样机

供电电压115V和230V时，整机实测效率随着输出功率变化曲线如图22所示，网侧功率因数随着输出功率变化曲线如图23所示，网流THDi随着输出功率变化曲线如图24所示，可见峰值效率97.3%，峰值网侧功率因数接近于1，输出功率400W以上时网流THDi不大于5%。

图22 STNRGPF12两级数字交错APFC实测效率

 
图23 STNRGPF12两级数字交错APFC实测网侧功率因数

图24 STNRGPF12两级数字交错APFC实测网流THD_i

4  结论

分析了意法半导体（ST）公司单相两级交错有源功率因数校正（APFC）STNRGPF12的工作原理以及采用eDesignSuite进行模拟和数字混合控制器的设计方法。采用Simulink对STNRGPF12支持的单向晶闸管数字软上电原理进行了仿真分析验证。根据参考文献，对基于STNRGPF12两级数字交错APFC测试数据进行了简单分析。结果表明，STNRGPF12以及eDesignSuite适合用于设计单相两级交错APFC，可以快速完成设计和实现，缩短产品上市时间。此外，eDesignSuite还适合三级交错APFC混合控制器STNRGPF01和单级APFC模拟控制器L4984D^[9,10,11]的设计。