摘要：
利用碳化硅场效应管(SiCMOSFET)的特性，结合MC33262功率因数控制芯片，设计一款具有负压关断作用且输出400V、250W，效率为97％左右的功率因数校正(PFC)电路，该电路能够降低MOS管的开关损耗，提高电源功率因数，抑制电压与电流谐波系数，提升电源利用率以及稳定性。
引言
随着全球能源系统的发展，电力电子正在往高效用电、清洁能源的方向发展．功率开关器件在电力电子设备中占据着极其重要的地位，具有高效高性能功率的开关器件得到广泛关注．碳化硅(SiC)材料因其具有宽禁带、高反向击穿电压、高电子饱和漂移速率、高开关频率以及耐高温等性能优势，渐渐成为第三代半导体功率器件。SiC功率器件常用在对频率和功率要求较高的应用场景，尤其是对能量效率和空间尺寸要求较高的一些场合，比如照明驱动系统、充电桩、智能电网、轨道交通等。
严阳等人利用SiCMOSFET优良的开关特性，采用电感电流三角波模式的控制方式，搭建一台1100W的全碳化硅半桥功率因数校正变换器达到了较高的效率．毛明平等人利用功率因数校正芯片MC33262，设计一款宽电压输入范围、固定升压输出的150w的AC／DC变换器，分析了有源功率因数校正(APFC)控制技术原理和硬件电路结构．陈国柱等人介绍了功率因数校正电路中重要参数的设计，简述了一种基于SiC器件的PFC功率电感的设计方法，并分析了传统有桥功率因数校正电路的损耗分布情况．郑丹等人提出一种计算高频振荡产生附加开关损耗的方法对SiCMOSFET开关损耗进行研究．
本文采用SiC功率器件作为开关管，结合功率因数控制芯片MC33262，设计一款具有负压关断作用且输出400V,250W的PFC电路，有效地提高功率因数和工作效率，降低MOS管的开关损耗，提高电网能量利用率．
1、PFC电路工作原理
功率因数电路工作原理如图1所示，来自电网的交流输入电压经过二极管整流器整流，输出全波整流电压，经过Boost型升压变换电路，通过功率因数控制芯片MC33262，为电源提供一种CRM电流模式控制，使输入电流自发地跟随全波整流电压变化，满足输出电压稳定，并且功率因数接近
功率因数电路的控制部分由电压外环和电流内环组成，电压外环的作用是使输出电压稳定在设定的参考电压上，考虑到电压过冲，一般设定参考电压峰值比输入电压峰值高．电压外环通过采样输出电压，将输出的反馈电压与参考电压比较后产生一个误差信号，同时对经过整流桥输出的电压进行采样，可以得到一个含有输入电压相位信息的馒头波，将其与误差信号相乘得到电流内环参考值．电流内环通过控制电感电流在以参考值为中心的一条滞环带内动作，以达到控制电感电流的平均值正弦化的目的(如图2所示)，实现电感电流与输入电网电压同相位，满足功率因数校正的要求．
2、PFC电路设计
基于MC33262控制芯片的PFC电路工作原理如图3所示．220V交流输入电压经过EMI滤波器和整流器后得到直流电，电流通过电阻R12向电容C8充电，当MC33262控制芯片的Vcc电压达到12V时开始工作．整流后的直流电压在R4上的分压作为取样信号，经芯片的“3脚”输入到乘法器(MULT)输入端．直流输出电压在R11上的分压经芯片的“l脚”输入到误差放大器的反向输入端，与基准参考电压比较放大后输出一个误差信号，输入到MULT的另一端．在源极电阻R3上转换为电压信号，输入至芯片的“4脚”，与NULT的输出电压进行比较：当开关管Q1的电流值大于MULT输出的电流值时，过电流比较器输出电平反转，将RS触发器置“0”，由“7脚”输出低电平，经过负压关断电路，关断Q1．因此，MULT的输出电流即通过Q1的电流门限值，该门限值随输入电压的变化而近似呈正弦规律变化．当Q1关断后，变压器T1一侧的电流逐渐减小，当此电流接近零时，又导致零电流检测电路的输出翻转，将Rs触发器置“1”，“7脚”输出高电平，Q1导通，重复以上过程．
为了确保Q1能顺利工作，在Q1的栅极、MC33262的电流检测信号输入端和驱动信号输出端之间加入一个三极管Q2，起到电流放大的作用．本电路设计中，开关频率f选在80kHz左右，输入交流电压的范围是190—250V、最大输出功率为250W．
①输入滤波电容C5的设计：输入滤波电容具有滤除输入端高频噪声的作用，其容量很小，在本实验中，滤波电容C5为0.47uF．一方面如果输入滤波电容的取值太小，很难较好地滤除输入端高频噪声，另一方面其取值也不能太大，否则会引起较大的输入电压偏移．
③输出滤波电容C12的设计：输出电容的选择要适当，既要考虑电容值也要考虑电容的耐压．PFC电路中，输出滤波电容C12的选择取决于输出过压保护V0、输出纹波电压的峰值VOPP和输出功率Po．根据表达式(2)得C12=149uF．因此电路中的输出电容选择150uF、耐压值450V．
④驱动电路与负压关断的设计：SiC开关管Q1的驱动电路如图4所示．在驱动电路部分增加负压关断，使得SiC开关管Q1在输入脉冲信号为低电平的情况下能够迅速关断，确保SiCMOS管工作安全，提升PFC电路的可靠性．
为了使SiC开关管Q1能正常工作，Q1栅源极电压需满足-10～+25v的要求，本设计在SiC开关管Q1的源极间加入一个由电容、电阻和稳压二极管组成的负压关断电路，具体电路设计及仿真结果如图5所示．
当MC33262的零电流检测信号输入端“5脚”检测到电感T1的电流为零时，驱动信号输出端“7脚”输出高电平，即Q1的栅极输入高电平，SiC开关管Q1导通，电感T1充电储存能量．当Q1的电流值大于MULT输出的电流值时，过电流比较器输出电平反转，RS触发器置“0”，驱动信号输出端“7脚”输出低电平，即Q1的栅极输入低电平，栅极电压为零．源极电压由MC33262输出Vcc电压12V，为了防止源极电流过大对Vcc造成影响，在Vcc和电阻之间串联一个二极管，Vcc经电容充电，在稳压管的作用下，源极电压箝位在4.7V左右，栅源极之问产生负压4.7V，满足SiC开关管栅源极驱动电压的要求，于是Q1被顺利关断，实验结果如图6波形所示．当Q1关断后，栅极等待下一个脉冲信号的高电平来临时，Q1再次导通，循环上述过程．
3、实验结果
经实验验证，当交流输入电压190—250V范围内，工作频率在83kHz左右，电路能够驱动SiC器件较稳定地工作，且具有负压关断的作用，符合SiCMOSFET的驱动特性．本文测试了相同输入电压、不同输出功率情况下，PFC电路的测试数据如下表1所示：
实验测得不同输入电压190～250V、相同输出功率235W条件下，PFC电路的功率因数及效率如图7所示．PFC电路的功率因数最低为0.997，当输入电压在210-220V的范围内，功率因数最大，达到0.999，在国家规定电压10％波动时，满足IEC6100-3-2要求．效率则随着输入电压的不断增大而增大，且均大于93％．这说明该电路在190—250V范围内能够稳定输出，并且效率较高．
4、结论
采用SiCMOSFET作为Boost升压电路的开关管，在SiC开关管的源极间加入一个由电容、电阻和稳压二极管组成的负压关断电路，结合功率因数控制芯片MC33262，设计一款具有负压关断作用且输出400V、250W的PFC电路．该电路在190-250V范围内能够稳定输出，并且效率较高，电压谐波系数在3％-3.4％范围内波动，当输出功率达到250W时，电流谐波系数最小；PFC电路的功率因数均大于0.997，当输入电压在210-220V的范围内，功率因数最大，达到0.999.该电路能够降低MOS管的开断损耗，有效地提高功率因数及其稳定性，较好地抑制谐波污染，提升电网的能量利用率．
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