補(bǔ)償EMI濾波器X電容對(duì)有源PFC功率因數(shù)的影響

現(xiàn)代開(kāi)關(guān)模式電源將 X 電容器和 Y 電容器與電感器組合使用，以過(guò)濾共模和差模 EMI。濾波元件位于任何有源（或無(wú)源）功率因數(shù)校正 （PFC） 電路的前面（圖 1），因此 EMI 濾波器的電抗對(duì)功率因數(shù) （PF） 施加的任何失真都會(huì)改變完美校正的電壓-電流關(guān)系。

圖 1：典型 PFC 225W 電源的輸入級(jí)示意圖，突出顯示了 EMI 濾波器中 ~680 nF 的 X 電容，連接在 L 相和 N 相之間

高于 75W 輸入時(shí)，當(dāng)輸出功率處于最大標(biāo)稱功率時(shí)，通常需要有源 PFC 才能實(shí)現(xiàn)大于 0.9 的 PF。直到最近，這種滿載要求在設(shè)計(jì)輸入濾波器時(shí)都非常有用。隨著負(fù)載的增加，電源的阻性輸入阻抗會(huì)降低并最終淹沒(méi)X電容的無(wú)功阻抗，從而主導(dǎo)整個(gè)功率轉(zhuǎn)換引擎的PF。在輕負(fù)載和高壓線路上，PSU輸入阻抗最高，PF將因X電容而降低（圖2）。

圖 2：在整個(gè)負(fù)載范圍（230VAC 輸入）中，通過(guò)向理想系統(tǒng)（單位功率因數(shù)）添加增加的 X 電容（共模）對(duì) PF 的平均影響

然而，一些現(xiàn)代標(biāo)準(zhǔn)，如80 PLUS鈦PC標(biāo)準(zhǔn)（20%負(fù)載下的PF > 0.9），開(kāi)始要求PF在輕負(fù)載下很高。如果配電網(wǎng)絡(luò)并行暴露給大量機(jī)器，這是有道理的。在輕負(fù)載下并行運(yùn)行的多個(gè)設(shè)備、顯示器或計(jì)算機(jī)可能（并且將）通過(guò)在低 PF 下提供大量需求來(lái)壓倒本地網(wǎng)絡(luò)的 VA 電源能力，從而產(chǎn)生不可持續(xù)的視在功率需求。由于許多電機(jī)的共模效應(yīng)，電器通常使用較大的 X 電容值，因此這是設(shè)計(jì)中 X 電容可能較大的另一個(gè)原因。最后，與濾波電感器相比，X電容相對(duì)便宜，因此應(yīng)用更多或更大的X電容而不是增加EMI濾波電感器的尺寸具有吸引力。

“蠻力”方法可能是在系統(tǒng)的輸入端增加電感以減少容抗，在某些情況下，這可能是可行的。然而，一個(gè)更優(yōu)雅的解決方案是讓PFC級(jí)監(jiān)控輸入電壓和輸入電流-相位關(guān)系，然后在輕負(fù)載時(shí)對(duì)PF功能應(yīng)用校正因子。這具有在其校正算法中引入電流相位滯后的效果，以將整個(gè)系統(tǒng)功率因數(shù)恢復(fù)到統(tǒng)一狀態(tài)。圖 3 顯示了基于 Power Integrations 的 HiperPFS-5 IC 系列的高級(jí)有源 PFC 設(shè)計(jì)，該系列是一款集成了 750V PowiGaN 開(kāi)關(guān)的高級(jí) PFC 控制器 IC，針對(duì)整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的高 PF 和效率進(jìn)行了優(yōu)化。

圖 3：PFC 250W 電源的輸入級(jí)。PFC 采用變頻準(zhǔn)諧振 DCM 控制技術(shù)，以及 GaN 電源開(kāi)關(guān)，在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)提供非常高的效率，同時(shí)保持低升壓電感。

功率因數(shù)增強(qiáng) （PFE） 通過(guò)使校正電流波形失真來(lái)補(bǔ)償輸入電容的相位失真，從而提高功率因數(shù)。它還降低了輸入電流形狀失真的影響（電流正弦波的失真，特別是在過(guò)零處，將增加總諧波失真，在另一篇文章中討論）。

圖4顯示了實(shí)際電源的PF，負(fù)載了人為的高輸入電容（650 nF）。PFE 功能可將功率因數(shù)提高多達(dá) 10%，最高可達(dá)約 75W 負(fù)載。

圖 4：隨著負(fù)載增加（230VAC 和 265VAC），具有活動(dòng) PFE 和 PFC 模塊上禁用 PFE 功能的 225W 電源的 PF

通過(guò)向PF控制引擎添加失真信息，可以顯著降低輸入電容對(duì)PF的失真。該電路可自動(dòng)補(bǔ)償輸入阻抗的變化，確保準(zhǔn)確的PF，盡管濾波器組件的生產(chǎn)公差和各種工作條件。系統(tǒng)支持嚴(yán)重失真的輸入電壓波形（例如發(fā)電機(jī)或逆變器輸入）的能力在另一篇文章中進(jìn)行了介紹。

審核編輯 黃宇