【开关电源】PFC_功率因数校正_开关电源pfc电路的调试

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摘要

从笔记本电脑适配器到电动工具，任何由交流电网供电的终端设备都代表着一个复杂的负载，其中输入电流并不总是与瞬时线路电压同相。因此，终端设备始终消耗电网的有效功率和无功功率。实际可用功率（以瓦特为单位）与总实际无功功率之比称为功率因数。功率因数校正（PFC）电路意图将输入电流整形为与瞬时线路电压同相，并使消耗的总视在功率最小化。

PFC电路不仅对公用事业公司有利，在终端应用中也提供了好处。本主题介绍了PFC的优点、PFC电路如何影响AC到DC功率转换架构，常见的PFC电路类型、不同方法的优点/缺点以及基于终端设备优先级的PFC解决方案选择过程。

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1. 简介

随着笔记本电脑和智能手机等个人计算设备的出现，电子产品已成为日常生活的重要组成部分。随着对更小、更强大、电池寿命更长的电子产品的需求持续增长，对这些设备充电或持续供电的需求持续增加。这种不断增长的电力需求

电力对交流发电和配电提出了独特的挑战。为了解决这个问题，世界上许多地区都实施了自愿计划，如“能源之星”，这些计划要求在重载下运行的某些应用程序具有最小功率因数（PF）。的其他领域

为了在特定地区（如欧盟）销售产品，世界对输入电流的总谐波失真（THD）实施了更严格的强制性要求。为了满足这些要求，一些产品采用了无源或有源功率因数校正（PFC），以最大限度地减少电子应用所消耗的总视在功率。本文考察了现代能源标准要求高功率因数的动机。研究了不同的有功功率因数校正方法，并分析了每种功率因数校正解决方案在尺寸、成本和性能方面的特点。

2. 效率标准和功率因数校正

功率因数的经典定义定义为负载消耗的以瓦特（W）为单位的实际功率除以在电源和负载之间循环的以伏安（VA）为单位测量的总视在功率的比率。对于DC输入，输入电流和输入电压总是同相的，并且因此保持1的功率因数。对于由AC电网供电的电子应用，输入电流不会自然地跟随瞬时AC线路电压。

为了说明高功率因数和输入电流谐波失真对于满足现代能源标准的重要性，请检查需要60W输入功率的AC/DC笔记本电脑适配器的使用情况。如果本例中的笔记本电脑适配器能够保持理想的功率因数1，则输入电流的形状完全遵循瞬时线路电压，没有相位延迟，如图1所示。

对于115 VAC输入和PF=1.0下的60 W输入功率，RMS输入电流等于521 mA。但是，如果在输入电流和输入电压之间引入相位延迟以将功率因数降低到0.4，则需要更多的视在功率和更多的循环电流来提供相同的60 W实功率，如图2所示。

对于降低的功率因数0.4，RMS输入电流增加到1.3A。关于对电子产品的影响，PF=0.4的笔记本电脑适配器可能需要更昂贵的布线来处理增加的循环电流，如图3所示。

虽然对于一个笔记本电脑适配器来说，700毫安的增加似乎微不足道，但考虑一下美国公用事业公司负责在全国范围内提供电力的角度。功率因数为1时，公用事业公司产生的所有电力都被连接到电网的负载充分利用。功率因数为0.4时，发电功率不能被负载有效利用，发电功率的很大一部分在系统中循环，而不是被负载消耗。由于负载的功率利用率低，所需的视在功率的大小增加了一倍以上。一个常见的类比是将功率因数比作一杯起泡的啤酒。啤酒代表电力需求，而泡沫代表未使用的电力，玻璃本身代表公用事业产生的电力。在这个类比中，功率因数将代表啤酒和泡沫之间的比例。高功率因数意味着玻璃中几乎没有泡沫，功率得到了很好的利用。对于低功率因数，由于功率利用率低，玻璃的很大一部分填充有泡沫。为了获得与高功率因数情况相同量的啤酒，低功率因数系统需要更高的玻璃杯来容纳额外的泡沫。这种类比是为了说明高功率因数对公用事业是有利的，因为需要更少的发电功率来满足相同的功率需求。

如前一个例子所示，保持高功率因数以最大限度地减少电网负担是有利的。虽然这一点很好理解，但功率因数和谐波失真要求不仅根据电子产品的分类而不同，而且因地区而异。

虽然一些要求仅定义满负荷时的最小功率因数，但其他规定对输入电流谐波失真提出了要求，因为这些谐波电流会导致配电网阻抗上的电压下降。为了说明负载如何将谐波电流引入交流电网，考虑使用二极管桥将交流线路电压转换为整流直流电压的交流到直流转换器，如图5所示。电容器连接到整流器的DC侧，以限制馈送到DC/DC转换器的电压纹波。只有当瞬时线路电压超过电容器上的直流电压加上电桥的两个二极管压降时，二极管电桥才导通。这导致二极管桥在线路周期上仅导通一小段时间。

该输入电流分布将大量谐波内容引入到AC线路中。图6显示了输入电流波形的傅立叶变换以及显示器、个人电脑和电视谐波限制的IEC61000-3-2 D级标准。

总谐波失真，通常缩写为THD，用于数字描述交流线路电流的失真水平。如下方等式所示，它等于每个谐波频率下的输入电流的均方根除以基波频率下的RMS输入电流。
$$THD=\frac{\sqrt{{\sum }_{n=2}^{\infty }{I}_n^2}}{I_1}$$

3. PFC功率因数校正

为了解决相位延迟和电流失真的挑战，可以在二极管桥和DC/DC转换器之间引入功率因数校正级，如图7所示。由于以下等式中的功率因数和谐波失真之间的关系，可以减少该谐波电流含量。

$$PF=\frac{\cos (\varphi )}{\sqrt{1+THD}}$$

PFC功能可以通过无源或有源方式来实现。无源PFC可以通过在二极管桥和隔离DC/DC级的输入电容器之间放置电感来实现。虽然这种方法具有最小的复杂性和低成本，但其有效性是有限的，并且可能难以在扩展的操作范围（例如从85VRMS到265VRMS的通用AC输入）上保持良好的功率因数校正性能。有源功率因数校正方法需要在二极管桥和隔离DC/DC转换器之间使用全功率转换器级。虽然这种方法更复杂，但有源PFC在宽的工作范围内提供了卓越的功率因数性能，几乎没有退化。尽管多年来已经使用了许多转换器拓扑结构，每种拓扑结构都有其自身的优点和缺点，但目前用于有源功率因数校正的最常见的拓扑结构选择是升压转换器。

升压转换器成为当今使用的主要PFC拓扑的主要原因之一是因为升压电感器在转换器的输入侧。这是有利的，因为这意味着输入电流不经历高dI/dt，使得拓扑结构能够更好地实现低输入电流失真。

升压转换器的电流路径如图8所示，而图9显示了升压功率级中值得注意的波形。在电感器两端施加电压，电感器中的电流以等于VIN/L的线性速率增加。在MOSFET导通时间期间，存储在输出电容中的电荷向负载提供电流。当MOSFET关断时，存储在电感中的能量被输送到输出端，电感器电流以等于（VOUT+Vf-VIN）/L的速率减小。


由于升压转换器只能升压其输入电压，因此PFC转换器的调节输出电压必须大于最大AC输入电压的峰值。因此，从单相AC插头供电的大多数PFC设计必须具有大于380V的输出电压。

基于图7补充更多细节，如图10所示。虽然PFC转换器的主要优点是高功率因数和低THD，但由于包含有源PFC，因此整体AC/DC电源具有次要优点。由于PFC级的高输出电压，可以在PFC输出电容中存储适量的能量。该产品可以使用该能量来度过交流电线路瞬间下降到低于预期电压的断电条件。

如果电子应用程序在完全关闭之前需要时间将其最后状态存储到内存中，则此特性尤其有用。由于PFC的输出电压被调节，这大大简化了下游隔离DC/DC转换器的设计，该转换器现在可以针对窄DC输入进行优化。

4. 临界传导模式 (CrCM, Critical Conduction Mode)

临界导通模式（CrCM）PFC，有时被称为过渡模式（TM）PFC是一种非常流行的功率因数校正方法，因为它是一种用最小数量的部件实现合理功率因数的非常简单的控制方法。

在其最简单的形式中，控制机构通过产生在整个线路周期内恒定的接通时间（tON）来工作。当开关断开时，当电感器电流达到0A时，启动下一个导通事件。这导致高PF，而不需要有损耗且昂贵的电流感测或线电压波形整形电路。为了了解这是如何做到的，请检查一个开关周期内通过电感器的平均电流的基本方程。
$$I_{L(AVG)}(t)=\frac{V_{IN}(t)}{2L}{t}_{ON}$$
注意，在方程的右手边，除了V_IN（t）之外，所有东西在开关周期内都是常数。由于V_IN（t）相对于开关频率变化缓慢，因此I_L（AVG）（t）具有与V_IN（t）相同的形状。换句话说，由于V _IN（t）是正弦波，所以I_L（AVG）（t）也是正弦波。这是产生良好功率因数的主要论据。

图11显示了对于各种RMS输入电压，开关周期频率如何在半个线路周期的过程中变化。特别是对于230V的输入，开关频率在过零点处变得非常高。这导致了重大损失以及控制方面的实施挑战。稍后将对此进行详细讨论。

图12显示了简化的升压PFC转换器，而图13说明了在基于线路频率的窄时间跨度内逐周期的行为。
图13的上图显示了交流线路周期一半时间内线路电压的瞬时变化。下图显示了电感器电流（红色）、开关节点电压（蓝色实线）、输入电压（蓝色平面实线）、输出电压（顶部虚线）和输出电压的1/2（下部虚线）。