功率因數(shù)校正器(PFC)在電源應(yīng)用中的重要作用
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自從歐盟建立了針對電子設(shè)備的EN61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)和A14修正案以來，PFC變得更為重要。該標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定允許ac線電流諧波。規(guī)定視輸入功率、產(chǎn)品類型和特定的諧波而有所不同。原始設(shè)備分類和A14修正案分類列表見下表。
人們最感興趣的是D類規(guī)定，因為它涉及了PC、計算機監(jiān)視器和電視接收器。其他設(shè)備只需滿足A類規(guī)定。為了了解PFC如何工作，我們首先來看一下功率因數(shù)的基本概念。功率包括兩部分：實際功率(W)和視在功率(伏安或VA，vars =無功功率，而不是總VA)。當(dāng)純正弦波施加于阻性負(fù)載和無功負(fù)載時，功率因數(shù)的矢量關(guān)系為：
其中cosθ = 電壓與電流之間相位角的余弦值；
Vin = RMS輸入電壓
Iin = RMS輸入電流
無功負(fù)載可以是電感性或電容性的，以產(chǎn)生分別具有延遲(正)或超前(負(fù))電壓的相位角的電流。如果視在功率相對于實際功率非常高的話，則功率因數(shù)趨近于零。但如果視在功率等于實際功率，則相位角為零且功率因數(shù)為1。因此，PFC的目標(biāo)之一是使功率因數(shù)盡可能接近于1，以使負(fù)載盡可能接近純電阻性負(fù)載。
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原始設(shè)備分類和A14修正案分類列表 |
式(1)僅對純電壓和電流正弦波成立。對于非正弦波輸入電流，即電源有整流輸入時，情況有所不同。要找出原因，請參見圖1，該圖顯示了典型的電源整流輸入，以及得到的輸入電流和輸入電壓波形。
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圖1：該圖顯示了典型的電源整流輸入，以及得到的輸入電流和輸入電壓波形。 |
這里，整流器和輸入電容器使電源產(chǎn)生短脈沖(而不是純正弦波)的輸入電流。僅當(dāng)輸入電壓接近其峰值時，電容器才會充電，此時它會產(chǎn)生高峰值電流、高RMS值和約0.6的功率因數(shù)。
對典型整流器輸入的傅利葉分析顯示，在輸入電流中主要為奇次諧波(圖2)。也有一些偶次諧波，但其振幅相對較低。在帶有諧波的非正弦波輸入電流的情況下，功率因數(shù)包含與相位角相關(guān)的位移因數(shù)和與波形相關(guān)的失真因數(shù)。
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圖2：對典型整流器輸入的傅利葉分析顯示，在輸入電流中主要為奇次諧波。 |
這樣會產(chǎn)生如下關(guān)系：
其中，
PF = 功率因素
Irms(1) = 電流的基礎(chǔ)諧波分量
Irms = 電流的總RMS值
Kd = 失真因數(shù)
Kθ ?= 位移因數(shù)
因此，對于開關(guān)模式電源產(chǎn)生的非正弦電流波形，PFC必須最大程度地減小輸入電流失真，并使輸入電流與輸入電壓同相。
升壓轉(zhuǎn)換器PFC
為了制造PFC，升壓轉(zhuǎn)換器得到了廣泛的采用。來自幾家制造商的IC簡化了特別針對PFC應(yīng)用的升壓轉(zhuǎn)換器的實現(xiàn)過程。最基本的形式是開關(guān)對升壓電路進(jìn)行控制(圖3)。閉合開關(guān)使電流流入電感器。斷開開關(guān)使電流通過二極管輸出。由于電容通過電感電流充電，多次開關(guān)循環(huán)使電容器達(dá)到輸出電容電壓。得到的輸出電壓比輸入電壓更高。
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圖3：最基本的形式是開關(guān)對升壓電路進(jìn)行控制。 |
在更具體的電路(圖4)中，PFC IC提供內(nèi)部控制電路，而且一個外部功率MOSFET替代了圖3中的機械開關(guān)。該電路在升壓轉(zhuǎn)換器的輸出端(而不是在二極管整流器之后)采用了大能量儲能電容器。對升壓轉(zhuǎn)換器的每個高頻開關(guān)周期進(jìn)行平均時，電感器電流(它對該電容器充電)受到控制，從而與低頻輸入電壓波形成比例。
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圖4：在更具體的電路中，PFC IC提供內(nèi)部控制電路，而且一個外部功率MOSFET替代了圖3中的機械開關(guān)。 |
升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓范圍在零到ac輸入的峰值之間。為了正常工作，升壓轉(zhuǎn)換器必須同時滿足：
- 升壓轉(zhuǎn)換器輸出電壓必須高于電源電壓的峰值。通常采用385V直流電，允許連接270V ac rms的高電源線；
- 任何情況下從電源線汲取的電流必須與電壓成正比。
升壓轉(zhuǎn)換器電壓高于輸入電壓，可使轉(zhuǎn)換器以ac電源電壓的相同相位汲取電流，最大程度地減少了諧波。
這種升壓轉(zhuǎn)換器配置成為功率因數(shù)修正的SMPS或開關(guān)模式電源(圖4)的前端。由于它只提供PFC功能，升壓轉(zhuǎn)換器被認(rèn)為是一種獨立PFC電路。
臨界傳導(dǎo)模式
臨界傳導(dǎo)模式PFC IC工作于在連續(xù)和非連續(xù)模式之間。要了解臨界傳導(dǎo)模式，可以比較一下返馳式轉(zhuǎn)換器等開關(guān)模式設(shè)計中非連續(xù)模式與連續(xù)模式之間的不同。
在非連續(xù)模式下，開關(guān)開啟時變壓器的磁化電感從零電流開始充電。然后，在開關(guān)關(guān)閉之后放電至零。然后，在開關(guān)重新開啟前，在截止時間內(nèi)保持為零電流。在連續(xù)模式下，磁化電感不會完全放電，所以每次開關(guān)開啟時，它從某一個正電流值開始充電。
在臨界傳導(dǎo)模式下，截止時間為零，且僅當(dāng)電感器電流達(dá)到零時開關(guān)才開啟。Ac線電流的均值為一連續(xù)波形，而峰值開關(guān)電流為平均輸入電流的兩倍。在這種模式下，工作頻率隨導(dǎo)通時間恒定而變化。
平均電流模式
在連續(xù)平均電流模式下工作涉及帶有一個增益調(diào)節(jié)器的PFC控制器IC，增益調(diào)節(jié)器有兩路輸入和一路輸出。在增益調(diào)節(jié)器末端的另一路輸入來自電壓誤差信號放大器。誤差信號放大器將穩(wěn)定的參考電壓與升壓二極管之后的輸出電壓的一部分進(jìn)行比較。誤差信號放大器具有低帶寬，以使它不會受輸出的突然變化或紋波電壓的影響。之后，增益調(diào)節(jié)器將使參考電流和誤差信號放大器輸出翻倍。
增益調(diào)節(jié)器將其輸出電流(IGM)發(fā)送至電流放大器，隨后電流放大器將其輸出施加到驅(qū)動RS正反器的比較器。其結(jié)果是，脈沖寬度調(diào)節(jié)(PWM)電路對功率MOSFET的開關(guān)進(jìn)行控制。
該獨立PFC控制器中的關(guān)鍵模塊包括電流控制環(huán)路、電壓控制環(huán)路、PWM控制和增益調(diào)節(jié)器模塊。電流控制環(huán)路迫使電感電流波形隨輸入電壓波形的變化而變化。連續(xù)電感電流升壓調(diào)節(jié)器的輸出電壓必須設(shè)為超過輸入電壓的最大峰值，以使PFC正常工作。輸出應(yīng)該為最大RMS輸入電壓的1.414倍。此外，內(nèi)部電流放大器必須具有足夠的帶寬，以在達(dá)到所希望的電流門限時立即關(guān)閉開關(guān)。
增益調(diào)節(jié)器模塊和電壓控制環(huán)路協(xié)同工作，分別采集輸入電壓和輸出電壓。輸出電壓被與內(nèi)部參照進(jìn)行比較，產(chǎn)生誤差信號，隨后它被與輸入電壓相乘，以設(shè)置電流控制環(huán)路的門限。該門限被與輸入(開關(guān))電流進(jìn)行比較，以確定PWM工作周期。PWM控制采用后緣調(diào)變。
輸入電流整形
輸入電流整形是連續(xù)電流模式PFC的另一種控制方法，這種方法不同于傳統(tǒng)/典型的平均電流模式PFC控制器。這種PFC配置不需要輸入電壓信息和乘法器(增益調(diào)節(jié)器)。它按照誤差信號放大器輸出電壓改變內(nèi)斜坡的斜度，而電流傳感信息和斜坡信號被用于確定開啟時間。如圖5中所示，當(dāng)電流傳感電壓達(dá)到內(nèi)斜坡信號時PFC開關(guān)開啟。一個內(nèi)部時鐘信號會關(guān)閉開關(guān)。
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圖5：當(dāng)電流傳感電壓達(dá)到內(nèi)斜坡信號時PFC開關(guān)開啟。 |
為控制輸出電壓，PFC IC對內(nèi)斜坡信號的斜度進(jìn)行調(diào)整。如果斜度增加，則平均電流增大；如果斜度減小，則平均電流減小。采用連續(xù)模式特性，在開啟時電感電流與正弦波形成正比。因此，在一個開關(guān)周期中電感電流最小值隨正弦電流參考而變化。當(dāng)然，在一個開關(guān)周期內(nèi)的電感電流峰值不是根據(jù)正弦參考進(jìn)行控制的。所以，平均電感電流可以不是正弦波。為使平均電感電流接近于正弦參考，必須有足夠高的感應(yīng)以減小電流紋波。
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