AC/DC前端轉換器模塊中功率因數校正技術(shù)介紹

根據定義，交流電 源的功率因數（PF）定義為流入負載的實(shí)際功率（瓦）與電 路中的視在功率之比，它是電 流和電 壓的乘積。它表示為PF =實(shí)際功率（W）/視在功率（VA）。 PF方程表明它是介于0和1之間的數字。因此，當電 流和電 壓同相和正弦時(shí)，PF為1.但是，如果兩者都是正弦但不同相，則視在功率大于實(shí)際值。功率和PF是電 流和電 壓波形之間的相角的余弦。在實(shí)踐中，PF = 1是負載是純電 阻和線(xiàn)性的理想情況。實(shí)際上，電 子系統中的離線(xiàn)AC/DC電 源是開(kāi)關(guān)模式，呈現非線(xiàn)性負載。

由于目前大多數電 源都是開(kāi)關(guān)模式，因此它們會(huì )產(chǎn)生非正弦波形，從而產(chǎn)生輸入電 流和電 壓之間的相位角。當電 流波形不跟隨電 壓波形時(shí)，它會(huì )導致PF低于1.除了功率損耗之外，《1 PF會(huì )導致諧波沿中性線(xiàn)傳播并破壞連接到交流電 源線(xiàn)的其他設備。 PF數越低，AC線(xiàn)上的諧波含量越高，反之亦然。因此，有嚴格的規定來(lái)限制交流電 源線(xiàn)上允許的諧波失真。例如，歐洲的EN61000-3-2 ［1］被引入以限制將電 子設備反射的諧波發(fā)送回電 源。它適用于所有D類(lèi)電 子系統，如PC（包括筆記本電腦和PC顯 示 器），以及消耗超過(guò)75 W的無(wú) 線(xiàn) 電和電視接收器.D類(lèi)是四類(lèi)（A，B，C和D）之一按EN61000-3-2標準分類(lèi)，該標準對每個(gè)等級施加不同的諧波電 流限制。該標準現已在國際上被接受。

為了符合EN61000-3-2等法規的諧波要求并保持較高的整體PF性能，有必要在電 子系統中使用的AC/DC前端轉換器模塊中加入功率因數校正（PFC）功耗超過(guò)75 W.實(shí)現PFC可實(shí)現高PF值并確保低諧波。正如我們將要看到的，目前有許多無(wú)源和有源技術(shù)可用于A(yíng)C前端采用的眾多電 源拓撲結構。

無(wú)源PFC

如安森美半 導 體公布的功率因數校正手冊第一章所述［2］，控制諧波電 流的最簡(jiǎn)單方法是使用僅在線(xiàn)路頻率下通過(guò)電 流的無(wú)源濾 波 器（例如，50或60赫茲）。該濾 波 器降低了諧波電 流，這意味著(zhù)非線(xiàn)性器件現在看起來(lái)像線(xiàn)性負載。使用內置電 容 器和電 感器的濾 波 器，功率因數可以接近一致。然而，缺點(diǎn)是濾 波 器需要大值的高電 流電 感器和高壓電 容 器，其體積大且昂貴。

圖1顯示了三種不同250 W PC電 源的輸入諧波，與根據EN/IEC61000-3-2 D類(lèi)設備規范的限值進(jìn)行了比較。諧波幅度與這些設備的輸入功率成比例。如圖所示，無(wú)源PFC的性能幾乎不符合三次諧波的限制。帶有源PFC的單元符合并優(yōu)于IEC61000-3-2規范。

圖1：相比之下，帶有源PFC控制器的電 源優(yōu)于被動(dòng)式PFC超過(guò)電 源線(xiàn)諧波的IEC61000-3-2規范。 （由安森美半 導 體公司提供。）盡管設計和使用簡(jiǎn)單，但無(wú)源PFC電 路有一些缺點(diǎn)。首先，電 感器的體積限制了它在許多應用中的可用性。其次，對于全球運行，需要線(xiàn)電 壓范圍開(kāi)關(guān)。如果沒(méi)有正確地進(jìn)行開(kāi)關(guān)選擇，則開(kāi)關(guān)的結合使得器具/系統易于發(fā)生操作員錯誤。最后，未被調節的電 壓軌導致在PFC級之后的DC/DC轉換器的成本和效率損失。

有源PFC

除性能外，銅和磁芯材料的成本上升，加上半 導 體成本的下降，使得有源PFC解決方案的平衡趨于平衡，即使在對成本最敏感的消費設備中也是如此。在下面的方案中（圖2），有源PFC電 路放置在輸入整流器和存儲電 容之間，然后是DC/DC轉換器。具有相關(guān)電 路的PFC IC對輸入電 流 進(jìn)行整形，以匹配輸入電 壓波形，實(shí)現0.9和更高的PF。

圖2：有源PFC控制器電 路位于輸入整流器和存儲電 容之間。 （由安森美半 導 體提供。）從根本上說(shuō)，有三種不同類(lèi)型的有源PFC控制器芯片。這些包括臨界傳導模式（CrM），連續傳導模式（CCM）和不連續傳導模式（DCM）。有幾家制造商提供各種這些有源PFC IC，但每個(gè)供應商都提供自己的版本和使用它們的理由。

CrM控制方案將電 感電 流保持在連續和不連續傳導之間的臨界極限。因此，一些供應商更喜歡將其稱(chēng)為邊界傳導模式或BCM。由于在該方案中總是知道波形，所以平均電 流和峰值電 流之間的關(guān)系也是已知的。安森美半 導 體為高達300 W的中等功率應用提供各種電 壓模式CrM PFC IC。此類(lèi)別中的最新產(chǎn)品是MC34262/MC33262控制器。

另一家CrM PFC控制器供應商是F airchild Semiconductor。其FAN6920MR在單個(gè)封裝中集成了CrM PFC控制器和準諧振P W M控制器。對于PFC，FAN6920MR使用受控的導通時(shí)間技術(shù)來(lái)提供穩定的DC輸出電 壓，以及執行功率因數校正。

由于峰值電 流應力較低，同時(shí)紋波電 流減小，濾波任務(wù)更容易，因此CCM控制在許多應用中廣泛使用，范圍從中等功率到高功率應用。一些提供基于CCM的PFC控制器的主要供應商包括F a i r c h i l d   S e m i c o n d u c t o r，I n f i n e o n   T e c h n o l o g i e s，I n t e r n a t i o n a l   R e c t i f i e r，N X P   S e m i c o n d u c t o r，O N   S e m i c o n d u c t o r，P o w e r   I n t e g r a t i o n s和T e x a s   I n s t r u m e n t s。

在DCM空間（也是中低功率應用的首選）中，C irrus Logic采用數字技術(shù)創(chuàng )建了一種非連續模式有源PFC控制器，無(wú)需多個(gè)無(wú)源元件即可實(shí)現低成本適用于PC，筆記本適配器和數 字 電 視接收器的PFC解決方案。 CS1500（圖3）采用可變導通時(shí)間和可變頻率算法，以實(shí)現接近單位功率因數和低EMI輻射，從而簡(jiǎn)化EMI濾波。

圖3：C irrus Logic的數字PFC控制器執行自適應數字算法，將交流電 源輸入電 流波形整形為與輸入電 壓波形同相。