開關(guān)電源功率因素校正及其工作原理

?1引言開關(guān)電源以其效率高、功率密度高而在電源領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位。但傳統(tǒng)的開關(guān)電源存在一個致命的弱點，功率因數(shù)低，一般為0.45～0.75，而且其無功分量基本上為高次諧波，其中3次諧波幅度約為基波幅度的95%，5次諧波幅度約為基波幅度的70%，7次諧波幅度約為基波幅度的45%，9次諧波幅度約為基波幅度的25%.大量高次諧波電流倒灌回電網(wǎng)，對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的污染。為此，IEC(國際電工委員會)制定了限制高次諧波的國際標(biāo)準(zhǔn)，最新標(biāo)準(zhǔn)為IEC1000-3-2D類。美國、日本、歐洲等發(fā)達國家已制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，并強制執(zhí)行，對于不滿足諧波標(biāo)準(zhǔn)的開關(guān)電源不允許上電網(wǎng)。我國也制定了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。因此，隨著減小諧波標(biāo)準(zhǔn)的廣泛應(yīng)用，更多的電源設(shè)計需要結(jié)合功率因數(shù)校正(PFC)功能。

3功率因數(shù)校正的實現(xiàn)方法從不同的角度看，功率因數(shù)校正技術(shù)有不同分類方法。從電網(wǎng)供電方式可分為單相PFC電路和三相PFC電路；從采用的校正機理可分為無源功率因數(shù)校正(PPFC)和有源功率因數(shù)校正(ActivePowerFactorCorrection，簡稱APFC)兩種。無源功率因數(shù)校正技術(shù)出現(xiàn)最早，通常由大容量的電感、電容組成。它只是針對電源的整體負載特性表現(xiàn)，在開關(guān)整流器的交流輸入端加入電感量很大的低頻電感，以減小濾波電容充電電流尖峰。由于加入的電感體積大，增加了開關(guān)整流器的體積，此方法雖然簡單，但效果不很理想，適于應(yīng)用到重量體積不受限制的小型設(shè)備。有源功率因數(shù)校正是用一個轉(zhuǎn)換器串入整流濾波電路與DC/DC轉(zhuǎn)換器之間(基本原理如圖1所示)，通過特殊的控制強迫輸入電流跟隨輸入電壓，反饋輸出電壓使之穩(wěn)定，從而使DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸入實現(xiàn)預(yù)穩(wěn)。這種方法的特點是控制復(fù)雜，但體積大大減小，設(shè)計也易優(yōu)化，從而進一步提高了性能。由于這個方案中應(yīng)用了有源器件，故稱為有源功率因數(shù)校正。從原理圖來看，APFC基本電路就是一種開關(guān)電源，但它與傳統(tǒng)開關(guān)電源的區(qū)別在于：DC/DC變換之前沒有濾波電容，電壓是全波整流器輸出的半波正弦脈動電壓，這個正弦半波脈動直流電壓和整流器的輸出電流與輸出的負載電壓都受到實時的檢測與監(jiān)控，其控制的結(jié)果是達到全波整流器輸入功率因數(shù)近似為1。

4功率因數(shù)校正技術(shù)的分類目前市場上使用較多的是單相高頻開關(guān)電源，針對這種情況，我們對單相有源功率因數(shù)校正(APFC)作一簡單分類。一般主要有兩種基本的APFC：一種是變換器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式的“電壓跟隨器”型；另一種是變換器工作在連續(xù)導(dǎo)電模式的“乘法器”型。另外，還有三電平PFC技術(shù)、單周期控制的PFC技術(shù)和不連續(xù)電容電壓模式PFC技術(shù)等。還可以從采用的軟開關(guān)技術(shù)的角度進一步對上述兩種模式的APFC加以分類。從軟開關(guān)特性來劃分，APFC電路可分為兩類，一類是零電流開關(guān)(ZCS)PFC技術(shù)，另一類是零電壓開關(guān)(ZVS)PFC技術(shù)。按軟開關(guān)的具體實現(xiàn)方法還可進一步劃分為：并聯(lián)諧振型、串聯(lián)諧振型、串并聯(lián)諧振型以及準(zhǔn)諧振型等軟開關(guān)諧振APFC技術(shù)[5]。從控制方法來分，APFC電路可以采用脈寬調(diào)制(PWM)、頻率調(diào)制(FM)、數(shù)字控制、單環(huán)電壓反饋控制、雙環(huán)電流模式控制等多種控制方法。單相有源功率因數(shù)校正按拓撲結(jié)構(gòu)可分為兩級模式和單級模式。4.1兩級有源功率因數(shù)校正目前研究的兩級PFC電路是由兩級轉(zhuǎn)換器組成：第一級是PFC轉(zhuǎn)換器，目的在于提高輸入的功率因數(shù)并抑制輸入電流的高次諧波；第二級為DC/DC轉(zhuǎn)換器，目的在于調(diào)節(jié)輸出以便與負載匹配。具體實現(xiàn)方式很多，在通信用大功率開關(guān)整流器中，主要采用的方法是在主電路輸入整流和功率轉(zhuǎn)換電路之間串入一個校正的環(huán)節(jié)(BoostPFC電路)。典型的兩級轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

由于兩級分別有自己的控制環(huán)節(jié)，所以電路有良好的性能。它具有功率因數(shù)高、輸入電流諧波含量低，以及可對DC/DC轉(zhuǎn)換器進行優(yōu)化設(shè)計等優(yōu)點。但兩級PFC電路也有兩個主要缺點：一是由于有兩套裝置，增加了器件的數(shù)目和成本；二是能量經(jīng)兩次轉(zhuǎn)換，電源的效率也會有所降低。因此，兩級PFC電路一般應(yīng)用于功率較大的電路中。對于小功率的場合，由于成本及體積的限制，一般采用單級功率因數(shù)校正電路。4.2單級有源功率因數(shù)校正單級PFC技術(shù)的基本思想，是將有源PFC轉(zhuǎn)換器和DC/DC轉(zhuǎn)換器合二為一。兩個轉(zhuǎn)換器共用一套開關(guān)管和控制電路(電路如圖3所示)，因此單級PFC技術(shù)降低了成本，提高了效率，減小了電路的重量和體積。

單級PFC電路具有許多優(yōu)點：PFC級和DC/DC級共用1個開關(guān)管，共用1套控制電路，這就使得大為簡捷，降低了硬件成本；變換中能提供任何選定的電壓和電流比；由于功率實現(xiàn)的是一次性變換，所以能獲得較高的效率和可靠性。單級PFC電路正因為具有這些優(yōu)良的性能而越來越得到廣泛的研究和應(yīng)用。但是，與傳統(tǒng)的兩級式DC/DC轉(zhuǎn)換器相比，單級PFC轉(zhuǎn)換器要承受更高的電壓應(yīng)力，有更多的功率損耗。這個問題在開關(guān)頻率較高時顯得尤為突出。而且，由于開關(guān)工作頻率不斷提高所帶來的電磁干擾問題也日益嚴(yán)重，顯著影響了轉(zhuǎn)換器工作的可靠性和頻率的提高。單級方案中還存在儲能電容電壓過高的情況，而且儲能電容電壓隨著輸入電壓及負載的變化而升高，這將會導(dǎo)致電路的穩(wěn)態(tài)特性受到一定的影響，同時某些元器件的體積成本會有所提高，這都是期待解決的問題。通過比較可知，在輸出功率相同的情況下，單級功率因數(shù)校正電路在功率因數(shù)校正能力和電源的轉(zhuǎn)換效率等方面，相對于兩級功率因數(shù)校正電路而言，相對要差一些。近些年，專家學(xué)者先后提出了許多零電壓及零電流軟開關(guān)技術(shù)，特別是將軟開關(guān)技術(shù)與單級隔離型PFC技術(shù)結(jié)合在一起的方法，另外，怎樣降低儲能電容上的電壓也是現(xiàn)在單級功率因數(shù)校正研究的熱點。5有源功率因數(shù)校正的控制方式根據(jù)電感電流是否連續(xù)，APFC有下面幾種工作模式：不連續(xù)導(dǎo)通模式DCM(DiscontinuousConductionMode)和連續(xù)導(dǎo)通模式CCM(ContinuousConductionMode)。一般認(rèn)為，采用電流連續(xù)導(dǎo)通方式，可利于實現(xiàn)輸入濾波電路小型化，并可使電流應(yīng)力減小，實現(xiàn)高效率[6]-[7]。DCM控制又稱電壓跟蹤方法(VoltageFollower)，它是PFC中簡單而實用的一種控制方式。這類轉(zhuǎn)換器工作在不連續(xù)導(dǎo)電模式，開關(guān)管由輸出電壓誤差信號控制，開關(guān)周期為常數(shù)。由于峰值電感電流基本上正比于輸入電壓，因此，輸入電流波形跟隨輸入電壓波形變化。DCM控制方式的優(yōu)點是：(1)電路簡單，不需要乘法器；(2)功率管實現(xiàn)零電流開通(ZCS)且不承受二極管的反向恢復(fù)電流；(3)輸入電流自動跟蹤電壓且保持較小的電流畸變率。但是DCM方式存在著以下兩個主要問題：(1)由于電感電流不連續(xù)，造成電流紋波較大，對濾波電路要求高；(2)開關(guān)管電流應(yīng)力高，在同等容量情況下，DCM中開關(guān)器件通過的峰值電流是CCM的兩倍，由此導(dǎo)致通態(tài)損耗增加，因此只適用于小功率的場合。中大功率電路通常采用CCM工作方式，而CCM根據(jù)是否直接選取瞬態(tài)電感電流作為反饋量，又可分為直接電流控制和間接電流控制。直接電流控制檢測整流器的輸入電流作為反饋和被控量，具有系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)快、限流容易、電流控制精度高等優(yōu)點。直接電流控制有峰值電流控制(PCMC)，滯環(huán)電流控制(HCC)，平均電流控制(ACMC)，預(yù)測瞬態(tài)電流控制(PICC)，線性峰值電流控制(LPCM)，非線性載波控制(NLC)等方式。CCM控制方式的優(yōu)點為：(1)輸入和輸出電流紋波小，THD和EMI?。?2)器件導(dǎo)通損耗??；(3)適用于大功率場合。APFC的控制電路方式很多，為使控制部分簡單化、小型化，己有IC廠家生產(chǎn)出各種不同性能和用途的專用，一般控制方式有兩類：利用乘法器控制法及電壓跟隨器方法。乘法器控制法包括：電流峰值控制、電流滯環(huán)控制以及平均電流控制，電壓跟隨器方法包括：零電流連續(xù)控制模式和電流斷續(xù)控制模式。6功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展方向開關(guān)電源的模擬控制技術(shù)發(fā)展了很多年，各方面都比較成熟，但卻無法克服其固有的缺點；控制電路復(fù)雜，元器件比較多，不利于小型化的發(fā)展；控制電路一旦成型，很難修改，調(diào)試不方便；控制不靈活，復(fù)雜的控制方法用模擬的方法很難實現(xiàn)。與傳統(tǒng)的模擬控制器相比，數(shù)字控制器具有更高的可靠性。數(shù)字控制器使用非常少的模擬元器件，可以增加系統(tǒng)的平均無故障工作時間(MTBF)，還可以通過增加監(jiān)視、保護和預(yù)警等功能提高系統(tǒng)的工作可靠性。數(shù)字控制器較傳統(tǒng)的模擬控制器，在設(shè)計上具有更高的靈活性。傳統(tǒng)的模擬控制器是通過調(diào)節(jié)和改變具體元件的參數(shù)值來實現(xiàn)不同的控制規(guī)律。這樣不可避免地會造成許多資源上的浪費，而且設(shè)計周期比較長。而數(shù)字控制器只需通過軟件編程就可以修改控制規(guī)律，還可以及時通過仿真驗證，使得對設(shè)計工作變得相當(dāng)靈活。當(dāng)電源具體的性能要求改變時，為了修改控制規(guī)律，對于模擬控制器來說，需要重新設(shè)計電路、刻板或布線；而對于數(shù)字控制器，則可通過編程來增加、刪除和修改任何控制參數(shù)，從而極大地縮短