PFC工作原理及PFC典型控制芯片工作机理及应用

PFC工作原理及PFC典型控制芯片工作机理及应用BMP开发部李桂臣2006.09.012EmersonConfidential主要内容PFC概念的引入及其工作原理APFC典型芯片工作机理典型芯片的应用心得体会3EmersonConfidential功率因数(PowerFactor)的定义功率因数的定义是指输入有功功率(p)和视在功率(S)的比值,线性电路功率因数可用表示，为正弦电流与正弦电压的相位差。但是由于整流电路中二极管的非线性，导致输入电流为严重的非正弦波形，仅仅用已不能表示整流电路的功率因数。在电力电子电路中，用PF表示功率因数。cos222211111coscoscosnininrmsrmsIIIIIIIVIVSPPF1I——基波电流有效值(A)；(n≥2)——n次电流谐波有效值；——输入电流有效值(A)；Vrms——电网电压有效值(V)；——基波电压和基波电流的相移因数nIinIcoscos4EmersonConfidential功率因数(PowerFactor)的定义功率因数是位移因数和畸变因数的乘积。欲提高电路的功率因数,，不仅要减小电压与电流的相位差，还必须最大限度地抑制输入电流的波形畸变,实现真正的正弦输入电流。2222111ninIIIIII被称为电流的畸变因数总谐波畸变（totalharmonicdistortion—THD）的定义是所有谐波分量的有效值与基波分有效值的比。THD=21222IIIn畸变因数与THD关系：2111THDIIIin功率因数与效率的区别？THD用来衡量电网的污染程度。5EmersonConfidential开关电源为何引入功率因数校正电路常规开关电源功率因数低的根源是整流电路后面的滤波电容使输出电压平滑，但确使输入电流变为尖脉冲，产生一系列奇次谐波，对电网造成污染，可能会造成电子设备损坏。图6-3传统的整流电路及波形由于输入电流波形畸变导致功率因数下降，并产生高次谐波分量，污染电网。◤采用有源功率因数校正技术是解决上述问题的有效途径◢6EmersonConfidentialPFC(PowerFactorCorrection)的基本原理利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形，使输入电流波形呈纯正弦波，并且与输入电压波形同相位，此时整流器的负载可等效为纯电阻。根据常用功率因数校正方法可分为有源功率因数校正(APFC)技术与无源功率因数校正(PPFC)技术。它置于桥式整流器与滤波用电解电容器之间，实际上是一种DC-DC变换器。7EmersonConfidential无源功率因数校正（PPFC）PPFC是利用电感和电容组成滤波器，对输入电容进行移相和整形。优点：电路简单可靠，成本较低，电磁干扰少；缺点：THD含量还是较高，输出电压的纹波过大，难以做到高功率因数，体积大而笨重。VDCVACIACVIVm0.5Vmt(ms)t(ms)8EmersonConfidential有源功率因数校正（APFC）优点：可以把功率因数提高到0.99以上；降低了总谐波电流分量（小于10%）；允许输入电压在大范围内波动（90～270V）；输出电压纹波小。缺点：电路较复杂，成本高；因为使用了有源功率器件，效率有所降低。图6-2APFC的基本原理框图◤在负载即电力电子装置本身的整流器和滤波电容之间增加一个功率变换电路，这就是有源功率因数校正（ActivePowerFactorCorrection，简称APFC）电路，它将整流器的输入电流校正成为与电网电压同相位的正弦波，消除了谐波和无功电流，因而将电网功率因数提高到近似为1◢9EmersonConfidential有源功率因数校正（APFC）◤APFC技术的基本思想是将输入交流进行全波整流，在整流电路与滤波电容之间加入DC/DC变换，通过适当控制使输入电流的波形自动跟随输入电压的波形，即使整流器的输出电流跟随它输出直流脉动电压波形，且要保持贮能电容电压稳定，从而实现稳压输出和单位功率因数输入◢◤从原理框图来看，APFC基本电路就是一种开关电源，但它与传统的开关电源的区别在于：DC/DC变换之前没有滤波电容，电压是全波整流器输出的半波正弦脉动电压，这个正弦半波脉动直流电压和整流器的输出电流与输出的负载电压都受到实时的检测与监控，其控制的结果是达到全波整流器输入功率因数近似为1◢10EmersonConfidential有源功率因数校正的电路结构(a)双级式(b)单级式图有源功率因数校正的电路结构11EmersonConfidentialAPFC电路常用拓扑形式–BOOST升压电路？12EmersonConfidentialAPFC控制方法--峰值控制一峰值电流控制型这种方法的特点是输入电流的峰值包络线跟踪输入电压波形，可使输入电流和输入电压同相，并接近正弦。其工作原理是：在每个开关周期开始时，功率管VT导通，电感电流上升，当电感电流上升到峰值（由基准电流控制）时，比较器动作，输出信号使VT关断，电感电流下降，直到下一个开关周期VT再次导通。这种方法的开关频率是固定的。峰值电流控制方式的电流反馈信号既可以通过检测电感电流得到，也可通过检测VT上的电流得到。基准电流值由电压误差放大器的输出信号与整流电压Vdc的检测信号相乘得到的。图为峰值电流控制的电感电流波形。峰值电流控制有可能产生次谐波振荡，因此必须采取斜率补偿措施。（a）峰值电流控制方式13EmersonConfidentialAPFC控制方法--滞后电流控制这种方法利用滞环比较器，使电感电流围绕基准电流上下变动，变动的范围决定于滞环的宽度。与峰值方式不同的是这种方法的电流反馈信号必须来自对电感电流的检测，但是电流基准信号是用同样的方法得到的。通过这种方式使输入电流跟踪输入电压波形，可使输入电流和输入电压同相，并接近正弦。这种控制方法的缺点是：开关频率不固定，使输出滤波器的设计难以优化；滞环控制和峰值控制对噪声都很敏感。14EmersonConfidentialAPFC控制方法--平均电流控制型这种控制方法采用的是电压外环、电流内环的双环控制。它用电流误差放大器替代峰值和滞环方法中的电流比较器，形成电流内环。同样以输出电压误差放大信号与整流电压的检测值的乘积为基准电流，和电流反馈加到电流误差放大器输入端，通过误差放大器调节输入电流平均值。使输入电流和电压同相，并接近正弦波形。输入电流与基准电流比较后，其高频分量被平均化处理，平均电流误差信号与锯齿波比较后形成控制开关VT通断的PWM信号。平均电流控制的特点：THD小；对噪声不敏感。既可工作于电流连续模式（CCM），也可工作于断续模式（DCM）。15EmersonConfidentialAPFC工作模式根据电感电流是否连续的APFC电路的工作模式分为连续导电模式（CCM）、断续导电模式（DCM）和介于两者之间的临界断续导电模式（DCMboundary）。在CCM工作模式下，采用乘法器方法来实现APFC，输入电流及输出电压纹波都比较小，但控制较复杂，开关损耗较大，制作成本也比较高。这种导电模式一般适用于大功率、大电流的产品中。而DCM工作模式下，采用电压跟随器方法来实现APFC，有很明显的缺点，输入电流纹波比较大，因而开关的损耗很大，转换效率也较低，使开关的使用寿命降低；有开关死区，输出电压的纹波也比较大，对负载有一定的影响。因此它一般只适合对功率因数要求不高、功率较小的场合。在临界断续导电模式（DCMBoundary）下，通过加入相应的控制电路，使得输入电流的峰值随正弦波值的变化而变化，APFC变换器的工作频率随输入交流电压和负载而变化。因而其功率因数可以非常高，达到90％以上是很容易的。与前两者相比，临界断续导电模式也有其自身的特点：与CCM技术相比，它的输入电流，输出电压的纹波比较大，因而对开关的冲击较大，同时开关的导通损耗也比较大，但它的电路结构比较简单，比较容易控制，成本也比较低；与DCM技术相比，它的输入电流，输出电压的纹波比较小，功率因数也比较高，但电路结构要复杂些，控制也相对较复杂，成本比较高。16EmersonConfidentialAPFC技术的应用有源功率因数校正（Boost—APFC）技术的思路，主要是控制已整流后的电流，使之在对滤波大电容充电之前，能与整流后的电压波形相同，从而避免电流脉冲的形成，达到改善功率因数的目的。◤由于APFC使得电网端的功率因数为1，减小了输入电流，降低了配电输入线的损耗，消除了用电装置的谐波分量对电网的污染，因此，凡是本身的工作会产生非线性，引起电网电压、电流畸变的电力电子装置，如果增加功率因数校正部分对电网带来的效益是明显的;对于用电器本身则会增大体积提高成本◢◤第四代IGBT的工作频率已达到150KHz，完全可以取代MOSFET;而且用于功率因数校正的集成控制器已先后出台并拥入市场，因此APFC的成本增加不大，而可靠性大大提高了。同时由于APFC增加了一级功率调节环节，它既要使输入电流波形呈正弦波，又要能够稳定输出电压，要同时具有两个互为矛盾的特性，势必会造成动态响应的恶化。但如果合理设计输出滤波电容C，就可适当得到补偿。增大输出滤波电容C的容量，使之同时满足电压纹波和交流突然断电时维持时间的要求，就能解决问题◢17EmersonConfidential峰值电流控制的双级式APFC尽管APFC对消除电网污染，提高功率因数的作用很明显，但控制电路比较复杂，随着电子技术的发展，专用于APFC的集成电路（IC）已被开发研制出来，这对设计高功率因数，低谐波失真的各类电子电路提供了技术支持。FAN7527B的引脚功能图其中1脚为反馈电压输入端（UFB），2脚为补偿端即误差放大器的输出端，与1脚接有补偿元件，3脚为乘法器的输入端，4脚为电流传感器输入，5脚为零电流检测输入，6脚为接地端，7脚为PWM输出端，可直接驱动PowerMOSFET或IGBT，脚8是UCC提供正电源电压18EmersonConfidential临界电流型功率因数校正控制器–FAN7527B简介19EmersonConfidential临界电流型功率因数校正控制器–FAN7527B简介此款芯片采用临界峰值电流控制方法，变频控制，能够使输入功率因数接近于1，THD小于3％。VCC启动门限为12V，关闭门限是9V，启动电流工作电流低，典型值为60μA最大不超过100μA，工作时电流仅为3mA，最大不超过8mA。FAN7527B的主要特点是：内部启动定时器;电流检测端CS（4脚），内涵R/C滤波器（无需外接R/C滤波器）；具有过电压比较器，能防止无负载时输出电压超出控制范围;零电流检测器（ZerocurrentDetectionZCD）;内部带隙基准电压（参考电压），可在1.5％范围可调；低压电源部分有欠压封锁，其回差电压为3V；采用图腾柱输出，有较大的输出电流，可驱动MOS功率管；集成电路的启动电流及工作电流小、功耗小、效率高。20EmersonConfidentialDCM/CCM临界模式的APFC实现思想基本实现思想是峰值电流控制和零电流检测。工作原理为：检测电感电流，与基准相比较，当电流达到正弦基准电流（为输入电压信号与电压环误差放大器输出的乘积）时，产生一个关断信号断开MOSFET，随之电感电流下降，当电路检测到这一电流过零时，产生一个开通信号开通MOSEFT，从而保持电感电流始终工作于连续和断续的临界状态。其中电压误差放大器的增益带宽为10-20Hz，远小于输入全波整流电压的频率100Hz，所以电压误差放大器的输出Ve基本恒定。这样，Ve与输入全波整流电压Vac相乘所得的电流基准信号Iref就是一个与Vac相似的正弦信号。当电感电流的峰值跟随Iref且工作与临界连续状态时，电感电流的平均值就是一个与Vac相似的正弦电流。VinAverageIinperkinductorcurrenttGateDriver21Emerso