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无源PFC原理分析以及应用


功 率 因 数 校 正 ( 英 文 缩 写 是 PFC) 是 目前比较流行的一个专业术语。 PFC是在 20世 纪 80年 代 发 展 起 来 的 一 项 新 技 术 , 其背景源于离线开关电源的迅速发展和 荧光灯交流电子镇流器的广泛应用。 PFC 电路的作用不仅仅是提高线路或系统的 功率因数,更重要的是可以解决电磁干 扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。 线路功率因数降低的原

因及危害 导致功率因数降低的原因有两个,一 个是线路电压与电流之间的相位角中, 另一个是电流或电压的波形失真。前一 个原因人们是比较熟悉的。而后者在电 工学等书籍中却从未涉及。 功 率 因 数 (PF) 定 义 为 有 功 功 率 (P) 与 视在功率(S)之比值,即PF=P/S。对于线 路电压和电流均为正弦波波形并且二者 相 位 角 Φ 时 , 功 率 因 数 PF即 为 COSΦ 。 由于很多家用电器(如排风扇、抽油烟机 等)和电气设备是既有电阻又有电抗的阻 抗负载,所以才会存在着电压与电流之 间的相位角Φ。这类电感性负载的功率 因 数 都 较 低 ( 一 般 为 0.5-0.6) , 说 明 交 流 (AC) 电 源 设 备 的 额 定 容 量 不 能 充 分 利 用,输出大量的无功功率,致使输电效 率降低。为提高负载功率因数,往往采 取补偿措施。最简单的方法是在电感性 负载两端并联电容器,这种方法称为并 联补偿。 PFC方案完全不同于传统的“功率因 数补偿”,它是针对非正弦电流波形而 采取的提高线路功率因数、迫使AC线路 电流追踪电压波形的瞬时变化轨迹,并 使电流与电压保持同相位,使系统呈纯 电阻性的技术措施。 长期以来,像开关型电源和电子镇流 器等产品,都是采用桥式整流和大容量 电 容 滤 波 电 路 来 实 现 AC-DC转 换 的 。 由 于滤波电容的充、放电作用,在其两端 的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。滤 波电容上电压的最小值远非为零,与其 最大值(纹波峰值)相差并不多。根据桥式 整流二极管的单向导电性,只有在AC线 路电压瞬时值高于滤波电容上的电压 时,整流二极管才会因正向偏置而导通, 而当AC输入电压瞬时值低于滤波电容上

的电压时,整流二极管因反向偏置而截 止。也就是说,在AC线路电压的每个半周 期内,只是在其峰值附近,二极管才会导 通(导通角约为70°)。虽然AC输入电压仍 大体保持正弦波波形, 但AC输入电流却呈 高幅值的尖峰脉冲,如图l所示。这种严重 失真的电流波形含有大量的谐波成份,引 起线路功率因数严重下降。 若AC输入电流 基 波 与 输 入 电 压 之 间 的 位 移 角 是 Φ 1, 根 据傅里叶分析,功率因数PF与电流总谐波 失真(度)THD之间存在下面关系:

而是由二极管、电阻、电容和电感等无源 元 件 组 成 。无 源 PFC电 路 有 很 多 类型 , 其 中 比 较 简 单的 无 源 PFC电 路 由 三 只二 极 管 和 两 只 电 容 组 成 , 如 图 2所 示 。 这 种 无 源 PFC电路的工作原理是: 当50Hz的AC线路 电 压 按 正 弦 规 律 由 0 向 峰 值 V m 变 化 的 1/4 周 期 内 (即 在 0<t≤ 5ms期 间 ), 桥 式 整 流 器 中 二 极 管 VD2 和 VD3 导 通 (VD1 和 VD4 截 止 ), 电 流 对 电 容 C1并 经 二 极 管 VD6对 C2 充电。当V AC ,瞬时值达到V m ,因C1=C2, 故C1和 C2上的电压相同,均为1/2V m , 当 AC线 路 电 压 从 峰 值 开 始 下 降 时 , 电 容 C1 通过负载和二极管VD5迅速放电,并且下 降速率比AC电压按正弦规律下降快得多, 故 直 到 AC 电 压 瞬 时 值 达 到 1/2V m 之 前 , VD2和VD3一直导通。当瞬时AC电压幅值 小 于 1/2V m 时 , 电 容 C2通 过 VD7和 负 载 放 电。当AC输入电压瞬时值低于无源PFC电 路的DC总线电压时, VD2和VD3截止, AC 电流不能通过整流二极管, 于是I AC 出现死 区。 在AC电压的负半周开始后的一段时间 内,VD1和VD4不会马上导通。只有在AC 瞬 时 电 压 高 于 桥 式 整 流 输 出 端 的 DC电 压 时,VD1和VD4才能因正向偏置而导通。

实测表明, 对于未采取PFC措施的电子 镇流器, 仅三次谐波就达60%(以基波为100 %),THD会超过电流基波,PF不超过0.6。 线路功率因数过低和电流谐波含量过高, 不仅会对造成电能巨大浪费,而且会对电 力系统产生严重污染,影响到整个电力系 统的电气环境,包括电力系统本身和广大 用 户 。 因 此, IEC1000-3-2《 家 用电 器 及 类 似类电气设备发出的谐波电流限制》和 IEC929(GB/T15144)《管形荧光灯交流电子 镇流器的性能要求》等标准,都对AC线路 电流谐波作出了具体的限制要求。 为提高线路功率因数,抑制电流波形失 真,必须采用PFC措施。PFC分无源和有源 两种类型,目前流行的是有源PFC技术。 无源PFC电路 无源PFC电路不使用晶体管等有源器件,

一旦VD1和VD4导通,C1和C2再次被 充电,于是出现与正半周类似的情况,得到 图3所示的 AC线路输入电压 V AC 和电流 I AC 波 形。 从图3可以看出, 采用无源PFC电路取代单 只电容滤波, 整流二极管导通角明显增大(大 于 120°), AC输 入 电 流 波 形 会 变 得 平 滑 一 些。在选择C1=C2=10?F/400V的情况下,线

路功率因数可达0.92~0.94, 三次电流谐波仅约 12%,五次谐波约18%,总谐波失真THD约 28~30%。但是,这种低成本的无源PFC电路 的DC输出电压纹波较大,质量较差,数值偏 低(仅约240V), 电流谐波成份并不能完全达到 低畸变要求。当其应用于电子镇流器时,因其 DC输出电压脉动系数偏大, 灯电流波峰比达2 以上,超出1.7的限制要求。欲提高无源PFC SG3561等。其中,L6560、KA7524/KA7526 的效果,电路则变得复杂,人们理所当然地会 和MC33261等,在国内直接可以采购,应用 比较广泛。这些器件全部采用8引脚DIP或SO 选择有源PFC方案。 封装,芯片电路组成大同小异,其基本组成 有源PFC升压变换器 有源PFC电路相当复杂,但半导体技术的 包括以电压误差放大器为中心的电压控制环 发展为该技术的应用奠定了基础。 基于功率因 路和以一象限乘法器、电流感测比较器及零 数控制IC的有源PFC电路组成一个DC-DC升 电流检测器等构成的电流控制环路。图4示出 压变换器,这种PFC升压变换器被置于桥式整 了DCM升压型PFC控制IC的内部结构及由其 流器和一只高压输出电容之间,也称作有源 组成的预变换器电路。 这种PFC升压变换器的工作原理如下:当 PFC预调节器。有源PFC变换器后面跟随电子 接 通 AC 线 路 后 , 由 于 电 容 C1 容 值 仅 为 镇流器的半桥逆变器或开关电源的DC-DC变 换器。有源PFC变换器之所以几乎全部采用升 0.1~0.22 ? F,只用作高频旁路,故桥式整流 压型式, 主要是在输出功率一定时有较小的输 输出为100Hz的正弦半波脉动电压(VR),亦即 出电流,从而可减小输出电容器的容量和体 AC半正矢。通过电阻R3的电流对电容C3充 电, 积,同时也可减小升压电感元件的绕组线径。 PFC变换器有不同的分类方法。按通过升 当C3上的电压升至IC的启动门限(大多为11V 压电感元件电流的控制方式来分, 主要有连续 左右)以上时,接通IC电源电压(VCC),IC开始 导通模式(CCM)、不连续导通模式(DCM)及介 工作,并驱动PFC开关VT1动作。一旦PFC升 于CCM与DCM之间的临界或过渡导通模式 压变换器进入正常运行状态,升压电感器T1 (TCM)三种类型。不论是哪一种类型的PFC升 的次级绕组则感生高频脉冲信号,经二极管 压变换器,都要求其DC输出电压高于最高AC VD5整流和电容C3滤波,为IC提供工作电压 线路电压的峰值。在通用线路输入下,最高 和电流。桥式整流后的AC输入电压,经R1和 AC线路电压往往达270V,故PFC变换器输出 R2组成的电阻分压器分压,作为乘法器的一 DC电压至少是380V(270V√2V),通常都设置 个输入(VM1)。升压变换器的DC输出电压,在 电阻分压器下部电阻R9上的分压信号,反馈 在400V的电平上。 工作在CCM的PFC变换器,输出功率达 到IC误差放大器的反相输入端,并与误差放 产生 500W以上乃至3kW,在DCM工作的PFC变换 大器同相输入端上的参考电压VREF比较, 一个DC误差电压VEAO,也输入到乘法器。乘 器, 输出功率大多在60~250W, 应用比较广泛, 法器的输出VMO 是两个输入(VM1 和VM2)的结 故在此作重点介绍。 果,作为IC电流感测比较器的参考。当IC驱 工作于DCM的有源PFC升压变换器控制IC 有几十种型号,如ST公司生产的L6560、西门 动VT1导通时,升压二极管VD6截止,流过L 子公司生产的TDA4817/TDA4862、摩托罗拉 的电流从0沿斜坡线性增加,并全部通过VT1 公司生产的MC33261/MC34261、三星公司生 和地回复。一旦IL 在开关周期内达到峰值, VT1上的驱动PWM脉冲变为零电平,VT1截 产的KA7524/KA7526、硅通公司生产的 止,电感器L中的储能使VD6导通,通过L的 电流IL,沿向下的斜坡下降。一旦IL降为零, L的次级绕

组产生一个突变电势被IC的零电流检测器接 收, IC产生一个新的输出脉冲驱动VT1再次导 通, 开始下一个开关周期。 IC的电流检测逻辑 电路同时受零电流检测器和电流传感比较器 的控制, 可确保在同一时刻IC只输出一种状态 的驱动信号。 VT1源极串联电阻R7用作感测流 过VT1的电流。 只要R7上的感测电压超过电流 传感比较器的触发门限电平,PFC开关VT1则 截止。 当AC线路电压从零按正弦规律变化时, 乘法器输出VMO 为比较器建立的门限强迫通 过L的峰值电流跟踪AC电压的轨迹。 在各个开 关周期内电感峰值电流形成的包迹波, 正比于 AC输入电压的瞬时变化,呈正弦波波形。在 两个开关周期之间, 有一个电流为零的点, 但 没有死区时间,从而使AC电流通过桥式整流 二极管连续流动(二极管的导通角几乎等于 180°),整流平均电流即为AC输人电流(为电 感峰值电流的1/2),呈正弦波波形,且与AC 线路电压趋于同相位, 因而线路功率因数几乎 为1(通常为0.98~0.995),电流谐波含量符合 IEC1000-3-2标准的规定要求。与此同时,由 于PFC电压控制环路的作用,PFC变换器输出 经提升的稳压DC电压,纹波很大,频率为 100Hz,同样为正弦波。其控制原理与开关电

CCM 功 率 因 数 控 制 器 IC 的 代 表 性 产 品 有 UC1854、 ML4821, LT1248、 LT1249、 L4981 和 NCP1650等,这些 IC大多采用 16引脚 封 装,其共同特征之一是内置振荡器。像开 关 电 源 用 PWM/PFC 组 合 IC( 如 ML4803 和 CM6800等 )中 的 PFC电 路 , 全 部 属 于 CCM 平均电流这一类型。

源 一 样 , 其 DC输 出 电 压 在 90~270V的 AC 输入电压范围内保持不变。 在 DCM下 工 作 的 PFC升 压 变 换 器 相 关 电压和电流波形如图5所示, 图6为AC线路 输入电压和电流波形。 事 实 上 , 工 作 于 DCM的 PFC升 压 变 换 器开关频率不是固定的。 在AC输入电压从 0增 大 的 峰 值 时 , 开 关 频 率 逐 渐 降 低 。 在 峰值AC电压附近,开关周期最大,而频率 最低。 在 连 续 模 式 (CCM) 下 工 作 的 PFC 升 压 变 换 器 采 用 固 定 频 率 高 频 PWM电 流 平 均 技术。这类变换器的开关占空比是变化 的,但开关周期相同。通过升压电感器和 PFC 开 关 MOSFET 的 电 流 在 AC 线 路 电 压 的半周期之内(即0<t<T/2),任何时刻都不 为0,而是时刻跟踪AC电压的变化轨迹, 其平均电流(IAC)呈正弦波形,且与AC电 压同相位,如图7所示。工作在 CCM下的 PFC变换器与DCM的变换器相比,有更低 的波形畸变。THD降至5%左右。

除 DCM和 CCM的 PFC变换器 之外 ,还 有 一 种 变 换 器 工 作 在 过 渡 模 式 (TM), 代 表 性 控 制 器 有 L6561等 。 L6561内 置 THD最 佳 化电路,在误差放大器输出端外部可连接 RC补偿网络,提供更低的AC输入电流失真 及保护功能。由L6561组成的PFC升压变换 器,输出功率达300W。 应用简介 无源 PFC电路主要用于40W以下电子镇 流器中。由于有源PFC控制IC价格比较便

宜,无源PFC电路目前很少被人们采用。 有 源 PFC 预 变 换 器 越 来 越 多 地 被 用 于 荧光灯和高压钠灯及金卤灯电子镇流器、 高 端 AC-DC 适 配 器 / 充 电 器 和 彩 电 、 台 式 PC、监视器及各种服务器开关电源前端, 以符合IEC1000-3-2等标准要求。此外,有 源PFC技术还被用于电机调速器等产品中。 图 8示 出 了 采 用 有 源 PFC升 压 变 换 器 的 2×40W双 管 荧 光 灯 电 子 镇 流 器 电 路 。 AC 线路输入端L1、C1与C2及C3和C4组成EMI 滤 波 器 , PFC控 制 器 KAT7524、 磁 性 元 件 T1、 功 率 开 关 VT1、 升 压 二 极 管 VD2及 输 出 电 容 器 C10 等 , 组 成 有 源 PFC 升 压 变 换 器 , 磁 环 脉冲 变 压 器 T2. 功 率 开 关VT3和 VT2 及 R14 、 C11 和 双 向 触 发 二 极 管 D1AC(DB3)组成的振荡启动电路构成半桥 逆 变 器 电 路 , 12、 C12和 L3、 C13组 成 LC 串 联 谐 振 (灯 启 动 )电 路 。 由 于 采 用 了 有 源 PFC升压变换器电路,电子镇流器在AC线 路电压为220V额定条件下,变换器效率达 96% , 输 入 线 路 功 率 因 数 PF≥ 0.993, AC 输入电流总谐波失真THD≤10.99%,其中 二次谐波为0.51%,三次谐波为9.6%,五 次谐波为4.7%,七次谐波为1.46%。电子 镇流器AC输入电压总谐波含量为4.23%。 有 源 PFC 升 压 变 换 器 在 开 关 电 源 应 用 中,为减少电路元件数量和印制电路板 (PCB)空间,提高功率密度,大多是将PFC 控制电路与PWM控制器组合在一起,集成 到同一芯片上,从而提高了开关电源的性 能价格比,同时也简化了设计。


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