功率因数校正器(PFC)对电源应用的重要影响

 

　　随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

　　PFC的英文全称为"Power Factor Correction",意思是"功率因数校正",功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系，也就是有效功率除以总耗电量（视在功率）的比值。 基本上功率因素可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因素值越大，代表其电力利用率越高。计算机开关电源是一种电容输入型电路，其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失，此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种，一种为被动式PFC（也称无源PFC）和主动式PFC（也称有源式PFC）。

　　自从欧盟建立了针对电子设备的EN61000-3-2标准和A14修正案以来，PFC变得更为重要。该标准规定允许ac线电流谐波。规定视输入功率、产品类型和特定的谐波而有所不同。原始设备分类和A14修正案分类列表见下表。

　　人们感兴趣的是D类规定，因为它涉及了PC、计算机监视器和电视接收器。其他设备只需满足A类规定。为了了解PFC如何工作，我们首先来看一下功率因数的基本概念。功率包括两部分：实际功率（W）和视在功率（伏安或VA,vars =无功功率，而不是总VA）。当纯正弦波施加于阻性负载和无功负载时，功率因数的矢量关系为：

                      

　　其中cosθ = 电压与电流之间相位角的余弦值；

　　Vin = RMS输入电压

　　Iin = RMS输入电流

　　无功负载可以是电感性或电容性的，以产生分别具有延迟（正）或超前（负）电压的相位角的电流。如果视在功率相对于实际功率非常高的话，则功率因数趋近于零。但如果视在功率等于实际功率，则相位角为零且功率因数为1.因此，PFC的目标之一是使功率因数尽可能接近于1,以使负载尽可能接近纯电阻性负载。

　　式（1）仅对纯电压和电流正弦波成立。对于非正弦波输入电流，即电源有整流输入时，情况有所不同。要找出原因，请参见图1,该图显示了典型的电源整流输入，以及得到的输入电流和输入电压波形。

图1：该图显示了典型的电源整流输入，以及得到的输入电流和输入电压波形。

 

　　这里，整流器和输入电容器使电源产生短脉冲（而不是纯正弦波）的输入电流。仅当输入电压接近其峰值时，电容器才会充电，此时它会产生高峰值电流、高RMS值和约0.6的功率因数。

　　对典型整流器输入的傅利叶分析显示，在输入电流中主要为奇次谐波（图2）。也有一些偶次谐波，但其振幅相对较低。在带有谐波的非正弦波输入电流的情况下，功率因数包含与相位角相关的位移因数和与波形相关的失真因数。

 

图2：对典型整流器输入的傅利叶分析显示，在输入电流中主要为奇次谐波。

　　这样会产生如下关系：

                      

　　其中，

　　PF = 功率因素

　　Irms（1） = 电流的基础谐波分量

　　Irms = 电流的总RMS值

　　Kd = 失真因数

　　Kθ ?= 位移因数

　　因此，对于开关模式电源产生的非正弦电流波形，PFC必须地减小输入电流失真，并使输入电流与输入电压同相。

　　升压转换器PFC

　　为了制造PFC,升压转换器得到了广泛的采用。来自几家制造商的IC简化了特别针对PFC应用的升压转换器的实现过程。基本的形式是开关对升压电路进行控制（图3）。闭合开关使电流流入电感器。断开开关使电流通过二极管输出。由于电容通过电感电流充电，多次开关循环使电容器达到输出电容电压。得到的输出电压比输入电压更高。

 

图3：基本的形式是开关对升压电路进行控制。

　　在更具体的电路（图4）中，PFC IC提供内部控制电路，而且一个外部功率MOSFET替代了图3中的机械开关。该电路在升压转换器的输出端（而不是在二极管整流器之后）采用了大能量储能电容器。对升压转换器的每个高频开关周期进行平均时，电感器电流（它对该电容器充电）受到控制，从而与低频输入电压波形成比例。

 

图4：在更具体的电路中，PFC IC提供内部控制电路，而且一个外部功率MOSFET替代了图3中的机械开关。

 

　　升压转换器的输入电压范围在零到ac输入的峰值之间。为了正常工作，升压转换器必须同时满足：

　　升压转换器输出电压必须高于电源电压的峰值。通常采用385V直流电，允许连接270V ac rms的高电源线；

　　任何情况下从电源线汲取的电流必须与电压成正比。

　　升压转换器电压高于输入电压，可使转换器以ac电源电压的相同相位汲取电流，地减少了谐波。

　　这种升压转换器配置成为功率因数修正的SMPS或开关模式电源（图4）的前端。由于它只提供PFC功能，升压转换器被认为是一种独立PFC电路。

　　临界传导模式

　　临界传导模式PFC IC工作于在连续和非连续模式之间。要了解临界传导模式，可以比较一下返驰式转换器等开关模式设计中非连续模式与连续模式之间的不同。

　　在非连续模式下，开关开启时变压器的磁化电感从零电流开始充电。然后，在开关关闭之后放电至零。然后，在开关重新开启前，在截止时间内保持为零电流。在连续模式下，磁化电感不会完全放电，所以每次开关开启时，它从某一个正电流值开始充电。

　　在临界传导模式下，截止时间为零，且仅当电感器电流达到零时开关才开启。Ac线电流的均值为一连续波形，而峰值开关电流为平均输入电流的两倍。在这种模式下，工作频率随导通时间恒定而变化。

　　平均电流模式

　　在连续平均电流模式下工作涉及带有一个增益调节器的PFC控制器IC,增益调节器有两路输入和一路输出。在增益调节器末端的另一路输入来自电压误差信号放大器。误差信号放大器将稳定的参考电压与升压二极管之后的输出电压的一部分进行比较。误差信号放大器具有低带宽，以使它不会受输出的突然变化或纹波电压的影响。之后，增益调节器将使参考电流和误差信号放大器输出翻倍。

　　增益调节器将其输出电流（IGM）发送至电流放大器，随后电流放大器将其输出施加到驱动RS正反器的比较器。其结果是，脉冲宽度调节（PWM）电路对功率MOSFET的开关进行控制。

　　该独立PFC控制器中的关键模块包括电流控制环路、电压控制环路、PWM控制和增益调节器模块。电流控制环路迫使电感电流波形随输入电压波形的变化而变化。连续电感电流升压调节器的输出电压必须设为超过输入电压的峰值，以使PFC正常工作。输出应该为RMS输入电压的1.414倍。此外，内部电流放大器必须具有足够的带宽，以在达到所希望的电流门立即关闭开关。

　　增益调节器模块和电压控制环路协同工作，分别采集输入电压和输出电压。输出电压被与内部参照进行比较，产生误差信号，随后它被与输入电压相乘，以设置电流控制环路的门限。该门限被与输入（开关）电流进行比较，以确定PWM工作周期。PWM控制采用后缘调变。

　　输入电流整形

　　输入电流整形是连续电流模式PFC的另一种控制方法，这种方法不同于传统/典型的平均电流模式PFC控制器。这种PFC配置不需要输入电压信息和乘法器（增益调节器）。它按照误差信号放大器输出电压改变内斜坡的斜度，而电流传感信息和斜坡信号被用于确定开启时间。如图5中所示，当电流传感电压达到内斜坡信号时PFC开关开启。一个内部时钟信号会关闭开关。

 

图5：当电流传感电压达到内斜坡信号时PFC开关开启。

 

　　为控制输出电压，PFC IC对内斜坡信号的斜度进行调整。如果斜度增加，则平均电流增大；如果斜度减小，则平均电流减小。采用连续模式特性，在开启时电感电流与正弦波形成正比。因此，在一个开关周期中电感电流值随正弦电流参考而变化。当然，在一个开关周期内的电感电流峰值不是根据正弦参考进行控制的。所以，平均电感电流可以不是正弦波。为使平均电感电流接近于正弦参考，必须有足够高的感应以减小电流纹波。