PFC的相關(guān)介紹以及常見電流控制方法

01 PFC的相關(guān)介紹

功率因數(shù)定義為設(shè)備能夠傳輸?shù)捷敵龆说哪芰颗c其從輸入電源處獲取的總能量之比。

功率因數(shù)低主要有兩個原因：

位移：當電路的電壓和電流波形異相時會產(chǎn)生位移，通常是由電感或電容等電抗元件引起的。

失真：波的原始形狀發(fā)生改變，通常是由整流器等非線性電路引起的。這些非線性波包含很多諧波含量，會使電網(wǎng)中的電壓失真。 ? ?

功率因數(shù)校正（PFC）是一系列嘗試提高設(shè)備功率因數(shù)的方法。 解決位移問題，通常采用外部無功元件來補償電路的總無功功率。

解決失真問題有兩種方法：

無源功率因數(shù)校正（PFC）：使用無源濾波器濾除諧波以提高功率因數(shù)。這種方法適用于低功率應(yīng)用，在高功率應(yīng)用中，其效果遠遠不夠。

有源功率因數(shù)校正（PFC）：使用開關(guān)變換器調(diào)制失真波，以將其整形為正弦波。整形后的信號中存在的唯一諧波位于開關(guān)頻率處，因此很容易濾除。有源功率因數(shù)校正被認為是最好的功率因數(shù)校正方法，但會增加設(shè)計的復(fù)雜性。

02 PFC 分類

1) 無源PFC

無源PFC一般分 “電感補償式” 和 “填谷電路式(Valley Fill Circuit)”

“電感補償式”是使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數(shù)，“電感補償式”包括靜音式和非靜音式。“電感補償式”的功率因數(shù)只能達到0.7～0.8，它一般在高壓濾波電容附近。

“填谷電路式”屬于一種新型無源功率因數(shù)校正電路，其特點是利用整流橋后面的填谷電路來大幅度增加整流管的導(dǎo)通角，通過填平谷點，使輸入電流從尖峰脈沖變?yōu)榻咏谡也ǖ牟ㄐ?，將功率因?shù)提高到0.9左右，顯著降低總諧波失真。

2) 主動式/有源式(Active PFC)

這種方法可以改變電流波形的形狀，使其跟隨電壓。這樣，諧波被移到更高的頻率上，因而更容易被濾除。使用最廣泛的有源功率因數(shù)校正電路是升壓變換器。它與變壓器類似，可以升高直流電壓，同時降低電流。最簡單的升壓變換器由電感、晶體管和二極管組成。

根據(jù)電流的導(dǎo)通模式，APFC可以分成3種模式：CCM，CRM(BCM)，DCM。

① 連續(xù)導(dǎo)通模式(Continuous Conduction Mode, CCM)

在連續(xù)導(dǎo)通模式下，一直會有電流流過電感，因此MOSFET需要在電感電流變成0之前開通。通常來講，CCM會工作在一個固定的頻率下，以控制AC輸入電流呈正弦波。和其他模式相比，CCM的優(yōu)點是能夠降低電感電流的紋波。其缺點是，當MOSFET開通時，濾波電容的電壓會反向加在二極管上，由于正向?qū)〞r的少數(shù)載流子們依舊聚集在PN結(jié)兩側(cè)，在這個反向電壓的作用下少數(shù)載流子會發(fā)生漂移運動，二極管會形成較大的反向電流。這個反向電流再加上電感電流會一起流過MOSFET，因此MOSFET會產(chǎn)生較大的開通損失(turn-on loss)。為了減少這種開通損失，建議選用SiC肖特基二極管(Schottky Barrier Diode, SBD)，因為肖特基二極管的反向恢復(fù)時間較短。該種模式一般應(yīng)用在 250W～2000W 的設(shè)備上。

②臨界導(dǎo)通模式(Critical Conduction Mode, CRM/Boundary Conduction Mode, BCM)

在臨界導(dǎo)通模式下，MOSFET會在電感電流降到0時開通，因此MOSFET的開通損失較小。CRM需要監(jiān)測電路輸出電壓，然后根據(jù)電壓調(diào)整MOSFET脈沖寬度。當輸出電壓過高時，會減小MOSFET脈沖寬度；當輸出電壓過低時，會增加MOSFET脈沖寬度。所以諧振頻率也不會固定，因為需要根據(jù)輸出電壓調(diào)整。

③ 不連續(xù)導(dǎo)通模式(Discontinuous Conduction Mode, DCM)

在不連續(xù)導(dǎo)通模式下，每個周期內(nèi)都存在電流為0的時期。與其他兩種模式相比，DCM的峰值電流較大，MOSFET關(guān)斷損失(turn-off loss)較大，電路的整體效率較低。但是，DCM不會受到二極管反向恢復(fù)時間的影響，MOSFET的開通損失也很小。一般應(yīng)用在 250W 以下的小功率設(shè)備上。

03 常見電流控制方法


? ? ?在PFC的實際應(yīng)用過程中，其常見的電流控制方法有三種，分別是峰值電流控制方式、滯環(huán)電流控制方式以及平均電流控制方式。

1) 峰值電流法

在有源PFC的實際應(yīng)用中，峰值電流法是非常常見的控制方式，其主要功能是檢測峰值電流。在應(yīng)用中，通常采用恒定的開關(guān)電源工作頻率，只有穩(wěn)定的工作頻率才能有效地、快速地檢測出峰值電流，并將這一電流“削尖”、均化來控制開關(guān)管，并同時對PWM進行調(diào)節(jié)，使輸入電流波形與輸入電壓保持同步，從而提高功率因數(shù)。缺點是由于輸入電流被“削尖”，在電路上對輸入電流波形需要進行斜率補償。

2) 滯環(huán)電流法

滯環(huán)電流控制法也同樣是一種比較常見的有源PFC控制方式，其主要功能是檢測APFC電路中電感上的電流。當電感電流達到一定值時，則開關(guān)管開始導(dǎo)通，電感電流下降到一定值時，開關(guān)管將會陡然截止。它的控制方式是利用工作頻率改變來控制開關(guān)管的導(dǎo)通和截止。一般設(shè)計輸出濾波電路時，按最低工作頻率考慮所以，開關(guān)電源的體積和重量是最小的，工作損耗最小。

3) 平均電流法

有源PFC的平均電流控制法，這種方法在開關(guān)電源和電子鎮(zhèn)流器的產(chǎn)品設(shè)計中是應(yīng)用的最多的一種方法，其特點是THD值小，對噪聲不敏感，電感電流峰值與平均值之間的誤差小，具有恒定的工作頻率，可以任意拓撲各種控制電路，輸入電壓可以隨便調(diào)節(jié)。然而，這種方法的缺點是控制電路比較復(fù)雜，需要增添電流誤差放大器。

審核編輯：湯梓紅