背景

近年來，開關電源因效率高，成本低，而在各個領域獲得了廣泛的應用。但是采用傳統的非控整流開關電源，由于輸入阻抗呈容性，網側輸入電壓和輸入電流間存在較大相位差，加上輸入電流嚴重非正弦，并呈脈沖狀，故功率因數極低，諧波分量很高，給電力系統帶來了嚴重的諧波污染。為此，國際電工委員會早在90年代初就制定了IEC1000-3-2標準，嚴格限定設備的功率因數必須接近于1，提高開關電源的功率因數已經成為國內電源廠商的當務之急。

開關電源輸入整流電路對電網的影響

開關電源一般由公共電網經過二極管整流獲得直流電壓。整流電路對于電網來說是非線性負載，負載電流含有大量的諧波和無功成分，使得電網的電能質量惡化。

●由此可見,大量地應用整流電路,要求電網提供嚴重畸變的非正弦電流，造成的嚴重后果是：諧波電流對電網有危害作用，并且輸入端功率因數下降。

●大量的電流諧波分量倒流入電網，會使電網中的諧波噪聲水平提高,造成電網的諧波污染,并且產生二次效應,使得電網電壓(原正弦波)也發生畸變。

●功率因數過低，致使輸出功率太小。

功率因素和THD

上式中I1/I稱為畸變因數，cosa稱為位移因數。當a=0時，PF=I~1~/I

PF與THD的關系

可見，當THD≤5％時，PF值可控制在0.999

APFC基本原理

工作原理：輸出電壓V0和基準電壓Vr比較后，輸出給電壓誤差放大器VA，整流電壓檢測值Vdc和的輸出電壓信號共同加到乘法器M輸入端，M輸出作為電流反饋控制的基準信號，與開關電流檢測值is比較后，經過電流誤差放大器加到PWM及驅動器，以控制開關的通斷，從而使輸入電流的波形與整流電壓的波形基本一致。

常用APFC分類

Boost升壓型

輸入電流即為電感電流且連續，容易調節，驅動簡單，適合于電網電壓變化大的場合。

Buck降壓型

開關管所受最大電壓為輸入電壓，電壓應力小，當后級短路時，可以利用開關管實現輸出短路保護

Buck-Boost升降壓型

對輸入電壓升降壓，輸入電壓選擇范圍大，可利用開關管實現輸出短路保護

正激型

反激型

按電流連續方式分類

CCM控制模式

常用的三種PFC控制方法比較

其他控制方法

單周期控制技術

不需要乘法器，具有調制和控制的雙重功能，通過復位開關、積分器、觸發電路、比較器達到跟蹤指令信號的目的

電荷泵控制技術

利用電流互感檢測開關管的開通電流，檢測電容充放電，電壓達到控制電壓時開斷開關管。

非線性載波控制技術

一種簡單的單級PFC電路，不需要采樣電壓，通過比較非線性載波與電流檢測波形獲得pwm波形

無差拍控制技術

是一種在電流滯環比較控制技術基礎上發展起來的全數字化的控制技術

其他PFC控制方法

通過平均電流控制法實現的一種Boost型PFC電路它消除了傳統的平均電流控制法中所需要的模擬乘法器和輸入電壓檢測環路,整體電路結構顯得十分簡單。

有關功率因數校正的控制策略的簡化成為今后研究的發展趨勢,現代控制理論中相關控制方法如極點配置法、非線性狀態反饋、神經網絡、空間矢量調制、模糊控制 ,以及二次型最優控制等,都將成為該領域的研究熱點

商用PFC控制芯片

為便于研制和生產有源功率因數校正器，現在PFC的控制電路已集成化。目前,在市場上己經出現了多種型號的針對Boost型變換電路的商用PFC 控制芯片,從其控制方法來看,主要采用有:

1、DCM模式下的變頻控制法,例如MC34262,L6562,UC3852等,可以應用于中小功率場合,這些芯片的外接引腳相同(都是DIP8或SO-8封裝),性能指標相似,可以互換使用。

2、CCM模式下的平均電流控制法,如UC3853,UC3854A/B,TK83853, ML4821等,主要應用于中大功率場合。

基于DSP的數字控制技術

近年來，DSP 器件的性價比有望進一步提高，這使得高質量數字控制 PFC 的實現成為了可能，數字控制代替模擬控制勢必成為今后發展的趨勢

基于 TMS320LF2407A 控制的功率因數校正電路

經過數字化采樣后的V0 信號與輸出參考電壓信號Vref 進行比較，信號差送入電壓外環的 PI 調節器。

該環節傳遞函數Gvea 的輸出與信號Vin 的采樣值相乘，生成電流內環所必需的參考電流值Iref 。

輸入電感電流inI 經數字采樣后，與參考電流Iref 進行比較，差值送入電流內環 PI 調節器。

該 PI 調節器的輸出送入 PWM 比較器，與三角波信號比較產生開關信號的占空比，最后通過驅動電路產生驅動信號控制開關管的通斷，實現電路的功率因數校正。




審核編輯：劉清