功率因数校正(PFC)原理与控制器IC

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功率因数校正(PFC)原理与控制器IC

  开关电源、气体放电灯电子镇流器及变频调速器等装置,其前端通常采用全波桥式整流和大容量电容滤波电路将市电转换为直流电,为后一级:DC/DC变换器或DC/AC逆变器供电。由于大容量电容上的电压纹波很小。整流二极管只有在AC输入电压的峰值附近才因正偏置而导通,致使AC输入电流呈高幅度的尖峰脉冲,如图1所示。这种严重失真的AC输入电流波形。谐波含量很高。仅3次电流谐波往往就大于60%(以基波为100%),总谐波含量(THD)≥120%.由于功率因数(PF)与THD之间的关系可表示为


即使电流基波与AC输入电压之间同相位(即COSφ1=1),功率因数也仅约0.64.

  由于AC输入电流谐波会影响同一供电网络中的其他设备,对电网造成污染,成为一种“电力公害”.同时,它所引起的功率因数下降不符合能效标准和新能源法规要求。因此,很有必要对畸变的AC输入电流波形进行整形,滤除电流谐波,以产生正弦波形,且与AC输入正弦波电压同相位。这就叫作功率因数校正(PFC)。日本和德国等国又常将其称为谐波滤波,其实与PFC是同~含义,而且似乎更加确切。

  PFC分无源和有源(有时也称作被动和主动)两种类型。无源PFC(PPFC)仅使用电容、二极管和电感等无源元件,电路简单,成本较低,但效果不太理想,有时还会影响系统的其他性能。随着PFC控制IC价格不断降低。业内更青睐于有源。PFC(APFC)。APFC需使用晶体管和控制IC,成本比PPFC高得多。但AC输入电流谐振波完全符合IEC1000-3-2等标准限制规定,并且可以基本实现单位功率因数(功率因数为1时被称作单位功率因数)。

  有源PFC有不同的分类方法和类型,如可分为单相和三相、数字和模拟控制、单级和两级及峰值与平均电流控制等。目前单相PFC技术已十分成熟。而三相PFC因相当复杂而成为近年来人们研究的热点。在有源PFC电路中,通常采用升压拓扑,需使用一个电感元件。按电感电流导通方式,PFC可分临界导通模式(CRM)、不连续导通模式(DCM)和连续导通模式(CCM)三类。

  1.CRM-PFCCRM也称为边界导电模式(BCM)或过渡模式(TM)。CRM-PFC电路一般适用功率范围在250W(尤其是150W以下),特别适合在荧光灯电子镇流器和低功率的开关电源中应用。


  CRM-PFC升压级电路简图如图2所示。该电路被置于桥式整流器之后, Cin和Co,分别为输入和输出电容。L为升压电感器,其辅助绕组用作零电流检测(ZCI))传感器。VDl为升压二极管, VTl为PFC开关。R1与R2用作输入电压采样,采样信号约为输入信号的1%.R3与R4用作DC输出电压检测,在R4上的取样信号通常约为PFC输出电压的0.6%(一般为2.5V)。Rs为电流感测电阻, Rs上的电压信号经RC低通滤波器(图2中未画)输入到IC的电流感测端(通常为CS引脚)。当IC驱动VTl导通时, VDl截止,通过L的电流全部流过VTl,而且从零开始线性增加。一旦Rs上的检测信号超过IC内部的门限,L辅助绕组电压极性反转。VT1阻断,VD1导通,电感电流IL从峰值线性降低。一旦IL达到零,IC就驱动VTl立即导通,开始一个新的开电感电流存在为零的“点”.但没有IL为零的死区。峰值电感电流时刻追踪AC输入电压瞬时变化轨迹,高频三角波电感电流被Cin路,所得平均电流(为峰值电感电流的一半)呈正弦波形,而且与AC电压趋于同相位,从而使系统呈现纯电阻性,实现接近于1(达0.98~0.99)的功率因数。图3所示为CRM-PFC电路的AC输入电压、电感电流和平均输入电流波形。

  CRM-PFC控制IC品种非常之多。在2000年之后推向市场的CRM-PFC控制器。约为第二代乃至第2.5代(甚至是亚三代)产品。第二代产品与第一代比较,不同点至少有三:一是AC线路电压从180~250V扩大到85~265V的全球市电通用输入:二是增加了输出过电压和反馈开路等保护功能;三是内置前沿消隐电路,电流传感输入脚外部无需RC低通滤波电路。CRM~PFC升压变换器同时又是一种开关电源,利用PWM可使其输出电压高度稳定。CRM-PFC电路输出DC电压通常设置在400V.部分新型CRM-PFC控制器代表性IC见表1.

  2.DCM-PFCDCM-PFC升压电路的电感电流和平均输入电流波形如图4所示。与图3所示的CRM-PFC电路相关波形比较,DCM-PFC升压变换器的工作频率是固定的,而不是像CRM-PFC电路那样在变频下操作,而且当AC电压从零变化到峰值时,频率逐渐降低。DCM-PFC电路电感电流降为零后,存在一个死区时间。尔后才开始新的开关周期。在相同输出功率下,DCM-PFC电路的峰值电感电流比CRM-PFC电路大得多,这就增加了功率元件上的电流应力。但由于DCM-PFC电路在定频下工作,EMI滤波器易于设计。而CRM-PFC电路在AC电压过零附近的开关频率往往达几百干赫,使得EMI滤波器设计复杂化。目前完全在DCM下工作的PFC电路几乎不再被人们采用,但有些PFC控制IC(如NCPl601等),在AC电压过零附近,工作在DCM;而在AC电压峰值附近,则在CRM运行,兼有CRM和DCM两种模式之优点。

  3.CCM-PFCCCM-PFC升压变换器电路简图如图5所示。图6所示为其电感电流与平均输入电流波形。

  CCM-PFC电路适用于中大功率开关电源和变频调速器及高亮度放电(IliD)灯电子驱动器。在500W以上的开关电源应用中,PFC/PWM组合IC(如UCC38500系列、CM6900系列和MIA800系列等)因适用功率范围较小。是难以取代CCM-PFC独立单片IC的。表2列出了部分新型CCM-PFC控制IC.

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