电源技术辅导资料九
电源技术辅导资料九主 题：第四章 “源侧功率因数校正技术”辅导资料
学习时间：2010年12月13日－12月19日
内 容：
我们这周主要学习第四章“源侧功率因数校正技术”的相关内容。希望通过下面的内容能使同学们加深源侧功率因数校正技术的原理与方法等的理解。
一、学习要求
1．了解功率因数的矫正方法
2．理解有源功率因数校正
3. 了解功率因数校正技术的发展趋势
二、主要内容
1．功率因数的矫正方法
功率因数校正的主要方法有两种:
无源PFC技术，即采用体积庞大的电感、电容滤波器来提高功率因数，它难以实现功率因数PF=1.0的单位功率因数校正
有源PFC技术，特别是高频有源功率因数校正技术，能实现PF=0.99的功率因数值，也就是让电网输入端的电流波形逼近正弦波，并与输入的电网电压保持同相位。
典型的无源功率因数校准电路
（1）无源功率因数校正
无源PFC的优点是简单、可靠，无需进行控制，缺点是增加的无源元件一般体积都很大，成本也较高，并且功率因数通常仅能校正至0.95左右，而谐波含量仅能降至30％左有，难以满足现行谐波标准的限制。
在补偿电感L 分别为0、0 .01H、0 .1H 时输入电压和电流波形以及电流波形的频谱分析输入电压：220V电容C：300uF
补偿电感及功率不同情况下的功率因数
由表 可以得知，功率一定，L 不同时，校正后的功率因数也不同。L 取值越大，电流与电压相位差会越大，使得功率因数降低，并且将不能满足负载所需的功率；L 取值越小，奇次谐波越大，也会降低功率因数；L 取值一定时，随着功率的增大，功率因数有可能会降低，并且功率越大，输入电流越大，易使电感铁芯饱和，同时会使电源的输入功率降低。只有当L 取值合适时，校正效果才能达到最佳。
（2）有源功率因数校正
有源功率因数校正技术采用全控开关器件构成的开关电路对输入电流的波形进行控制，使之成为与电源电压同相的正弦波，总谐波含量可以降低至5％以下，而功率因数能高达0.995，彻底解决了整流电路的谐波污染和功率因数低的问题。
有源功率因数校正技术的缺点是电路和控制较为复杂，开关器件损耗大，效率略低于无源功率因数校正电路。
单相有源功率因数校正电路较为简单，仅有1个全控开关器件。电路容易实现，可靠性也较高，应用非常广泛，基本上已经成为功率齐0.5-3kW范围内的单相输入开关电源的标准电路形式。
三相有源功率因数校正电路结构和控制较复杂，成本也很高，因此目前三相输入的开关电源通常还采用无源功率因数校正技术。
2. 有源功率因数校正
APFC的基本原理框图
APFC技术的基本思想是将输入交流电进行全波整流，在整流电路与滤波电容之间加入DC/DC变换电路，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的直流脉动电压波形且要保持储能电容电压稳定， 从而实现稳压输出和单位功率因数输入，其原理如图所示。 从原理框图来看，这就是一种开关电源，但它与传统的开关电源不同，DC/DC变换电路之前没有滤波电容，电压是全波整流器输出的半波正弦脉动电压，而不像开关电源那样是方波。 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检测与监控，控制结果是使全波整流器的输入功率因数近似为1。
有源功率因数校正就是试图使设备在整个正弦周期内都获得能量而不是只在局部获得能量。并且通过调整整个正弦周期内的能量分布, 使输入电流与输入电压呈同相的正弦波形。
（1）有源功率因数校正的电路结构
APFC的电路结构有双级式和单级式两种，如图所示。 双级式电路是由Boost转换器和DC/DC变换器级联而成的，中间直流母线电压一般都稳定在400 V。 前级的Boost电路实现功率因数校正，后级的DC/DC变换器实现隔离和降压。其优点是每级电路可单独分析、设计和控制，特别适合作为分布式电源系统的前置级。单级式APFC电路集功率因数校正和输出隔离、 电压稳定于一体，结构简单，效率高，但分析和控制复杂， 适用于单一集中式电源系统。
有源功率因数校正电路结构
(a) 双级式； (b) 单级式
（2）有源功率因数校正的控制
有源功率因数校正技术的思路是，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， 从而避免形成电流脉冲，达到改善功率因数的目的。有源功率因数校正电路原理如图所示， 主电路是一个全波整流器，实现AC/DC的变换，电压波形不会失真；在滤波电容C之前是一个Boost变换器，实现升压式DC/DC变换。从控制回路来看， 它由一个电压外环和一个电流内环构成。在工作过程中，升压电感L1中的电流受到连续的监控和调节，使之能跟随整流后正弦半波电压波形。
有源功率因数校正电路是一个双闭环控制系统。内环是一个电流控制环, 它是一个I型控制系统（一阶无差系统）。按照控制理论, I型系统可以无差的跟踪斜坡信号，由于正弦波信号变化率比斜坡信号慢, 所以I型系统也可以无差的跟踪正弦波信号。电流环的作用是使输入电流无差的跟踪输入电压的波形, 于是输入电流就是与输入电压同相的正弦波波形, 达到了功率因数校正的目的。 外环是一个电压控制环, 它是一个II型控制系统（二阶无差系统）, 按照控制理论, II型系统可以无差的跟踪阶跃信号。只要输入一个不变的参考电压, 就可以得到一个稳定不变的输出电压。电压环的作用是使输出保持一个高于输入电压最高峰值的稳定电压, 这是所必需的。双闭环控制的效果是使输入电流与输入电压呈同相的正弦波, 输出是一个高于输入电压最大峰值的稳定直流电压。这个稳定的直流为后级变换电路提供直流能量。
通过RL取出正比于Ua的电流波形Isin（isin=Ua/RL）是一个正弦全波整流波形。
isin与误差放大器输出电压UEAOUT在乘法器中相乘, 产生电流IMO, 通过电阻RC产生电压IMORC ， 它具有与Ua相同的波形。
另外, 输入电流通过电阻RS产生一个电压Us=iLRS 。Us与电压IMORC相减后加在电流误差放大器的同相输入端, 由于电流环是无差跟踪的, 它必将迫使Us= IMORC, 从而实现了主回路的电流波形对输入电压波形的无差跟踪
电流控制环
PFC的电流控制环由三个部分组成
是功率变换电路的传递函数
， 是脉冲占空比
Gpwm是PWM 调节器的传递函数。其中UCAO 是电流调节器的输出电压。由于占空比DON(s)正比于电流调节器的输出，因此Gpwm(s)是个常数：
G1(s)是电流调节器的传递函数。由电流放大器CA及补偿电路ZCF组成的调节器有如图所示的形式，可推出传递函数为：
由（4）式可知，这是一个Ⅱ型控制系统，U s(s)可以无差的跟踪IMoRC ，即输入电流可以无差的跟踪输入电压的波形。
电压控制环
PFC系统的外环是一个电压控制环，它含电流环、乘法器、电压调节器及放大环节。
GVOL（s）为前向通道传递函数，推导如下
由于电流环是无差的，故
乘法器输出
两边取有效值，则：
不考虑损耗，则：
于是
可得简化的电压环结构
电压调节由误差放大器和补偿网络组成
可得电压环开环传递函数
这是一个I型控制系统，它可以无差地跟踪阶跃函数，故对于给定的UREF，电压环输出是稳定的直流电压。
有源功率因数校正电路原理
整流器输出电压ud、升压变换器输出电容电压uC与给定电压U*c的差值都同时作为乘法器的输入，构成电压外环, 而乘法器的输出就是电流环的给定电流I*s。
升压变换器输出电容电压uC与给定电压U*c作比较的目的是判断输出电压是否与给定电压相同，如果不相同，可以通过调节器调节使之与给定电压相同，调节器（图中的运算放大器）的输出是一个直流值，这就是电压环的作用。而整流器输出电压ud显然是正弦半波电压波形，它与调节器结果相乘后波形不变， 所以很明显也是正弦半波的波形且与ud同相。
将乘法器的输出作为电流环的给定信号I*s ，才能保证被控制的电感电流iL与电压波形ud一致。I*s的幅值与输出电压uC同给定电压U*c的差值有关，也与ud的幅值有关。L1中的电流检测信号iF与I*s构成电流环，产生PWM信号, 即开关V的驱动信号。V导通，电感电流iL增加。当iL增加到等于电流I*s时，V截止，这时使二极管导通，电源和L1释放能量，同时给电容C充电和向负载供电，这就是电流环的作用。
由升压直流转换器的工作原理可知， 升压电感L1中的电流有连续和断续两种工作模式， 因此可以得到电流环中的PWM信号即开关V的驱动信号有两种产生方式：一种是电感电流临界连续的控制方式，另一种是电感电流连续的控制方式。这两种控制方式下的电压、 电流波形如图所示。
APFC控制的波形
(a) 峰值电流控制方式； (b) 平均电流控制方式
由图 (a)的波形可知，开关V截止时，电感电流iL刚好降到零；开关导通时，iL从零逐渐开始上升；iL的峰值刚好等于电流给定值I*s。 即开关V导通时，电感电流从零上升；开关截止时，电感电流从峰值降到零。电感电流iL的峰值包络线就是I*s 。 因此, 这种电流临界连续的控制方式又叫峰值电流控制方式。
从图 (b)的波形可知，这种方式可以控制电感电流iL在给定电流I*s曲线上，由高频折线来逼近正弦曲线，这就是电流滞环控制，I*s反映的是电流的平均值，因此这种电流连续的控制方式又叫平均值控制方式。电感电流iL经过C1和射频滤波后， 得到与输入电压同频率的基波电流ii。
在相同的输出功率下，峰值电流控制的开关管电流容量要大一倍。平均电流控制时，在正弦半波内，电感电流不到零， 每次DC/DC开关导通之前，电感L1和二极管VD中都有电流, 因此开关开通的瞬间，L1中的电流、二极管VD中的反向恢复电流对直流转换电路中的开关器件V和二极管形成了“寿命杀手”， 在选择元件时要特别重视。 而峰值电流控制没有这一缺点，只要检测电感电流下降时的变化率，当电流过零时就允许开关开通，而电流的峰值用一个限流电阻检测就能达到目的，这样既便宜又可靠， 在小功率范围内推广应用是很适合的。
在非连续性模式，升压转换之MOSFET在电感电流降为零时开始导通，而在电感电流达到所需之输入参考电压值时，MOSFET则关断。利用此方式使输入波形跟随输入电压波形，得到接近于1的功率因数。
（3）有源功率因数校正的控制方法
平均电流型
乘法器的一端输入是Vdc/K，其中Vdc为正弦电压Vi的全波整流值，另一端输入是PFC输出电压V。分压后与参考电平Vref，经过电压误差放大器VA的误差放大值。乘法器的乘积作为电流基准，使输入电流平均值与输入整流电压同相位，并接近正弦波形。检测到的电感电流iL与该电流基准的差由电流误差放大器CA放大。放大后的平均电流误差与锯齿波斜坡比较后，给开关S驱动信号。由于电流环的高增益一带宽特性，使跟踪误差畸小于1%，容易实现接近于1的功率因数。
平均电流控制将电感电流信号与锯齿波信号相加，当两信号之和超过基准电流时，开关管关断，当两信号之和小于基准电流时，开关管导通，平均电流控制的开关频率恒定，适用于大功率应用场合。基于平均电流数字正弦给定的PFC算法分为电压外环、给定算法、电流内环三部分。电压外环实现输出直流电压跟随电压给定基准的功能;电流给定算法产生与输人电压同频同相的正弦波形，属于软件锁相部分;电流内环实现输入交流电流跟随输人交流电压波形，完成PFC功能。
电流峰值控制
平均电流控制和峰值电流控制的最大区别之一就是电流峰值控制设有一个电流误差放大器。误差电压信号与输入电压相乘后提供的电流参考信号不是与振荡电路产生的固定三角状电压斜坡比较，而是与有Rs检测到的代表电感电流峰值的三角状波形信号比较，比较器的输出作为开关S的门极驱动信号。峰值电感电流的大小毕竟不能完全与平均电感电流的大小对应，误差如果很大就无法满足THD很小的要求。如果使电流纹波很小，又会对噪声相当敏感。
电流滞环控制
电流滞环控制与峰值法控制的差别是前者检测的电流是电感电流，并且控制电路中多了一个滞环逻辑控制器，他有一个电流滞环带。同时，平均电流控制和峰值电流控制都是固定频率的控制方法，而电流滞环控制则采用的是变化的频率。乘法器的输出形成两个基准电流的上限与下限ILmax和ILmin，其轨迹跟踪正弦的线电压波形。电感电流将会被限定在这个上、下限范围内。电流滞环宽度决定了电流纹波的大小，他可以是固定值，也可以与瞬时平均电流成正比。
非连续电流模式PFC芯片
IFX(英飞凌) TDA4862、TDA4863
ST L6561、L6562
Fairchield(快捷半导体) FAN7527
TI UC3852、UCC38050
SC SG6561
ON MC33262、MC34262、MC33261
连续电流模式PFC芯片
IFX TDAl6888 (PFC+PWM)、
1PCS01(PFC)
ST L498I
Fairchield FA4800(PFC+PWM)
TI UC3854、UCC3817、UCC3818
3. 功率因数校正技术的发展趋势
（1）两级功率因数校正技术的发展趋势
目前研究的两级功率因数校正，一般都是指Boost PFC前置级和后随DC／DC功率变换级。对Boost PFC前置级研究的热点有两个，一是功率电路进一步完善，二是控制简单化。如果工作在PWM硬开关状态下，MOSFET的开通损耗和二极管的反向恢复损耗都会相当大，因此，最大的问题是如何消除这两个损耗，相应就有许多关于软开关Boost变换器理论的研究，现在具有代表性的有两种技术，一是有源软开关，二是无源软开关即无源无损吸收网络。
除了软开关的研究之外，另一个人们关心的研究方向是控制技术。曰前最为常用的控制方法是平均电流控制，CCM／DCM临界控制和滞后控制3种方法。但是新的控制方法不断出现，其中大部分是非线性控制方法，比如非线性载波技术和单周期控制技术。这些控制技术的主要优点是使电路的复杂程度大大降低，可靠性增强。现在商业化的非线性控制芯片有英飞凌公司的一种新的CCM的PFC控制器，被命名为ICElPCSOI，是基于一种新的控制方案开发出来的。与传统的PFC解决方案比较，这种新的集成芯片(IC)无需直接来自交流电源的正弦波参考信号。该芯片采用了电流平均值控制方法，使得功率因数可以达到1。另外，还有IR公司的IRIS51XX系列，基于单周期控制原理，不需要采集输入电压，外围电路简单。
最后，怎样提高功率因数校正器的动态响应是当前摆在我们面前的一个难题。
（2）单级功率因数校正技术的发展趋势
在20世纪90年代初提出了单级功率因数校正器，主要是将PFC级和DC／DC变换级集成在一起，两级共用开关管。它与传统的两级电路相比省掉了一个MOSFET，增加了一个二极管。另外，其控制采用一般的PWM控制方式，相对简单。但是单级功率校正存在一个非常严重的问题：当负载变轻时，由于输出能量迅速减小，但占空比瞬时不变，输入能量不变，使得输入功率大于输出功率，中间储能电容电压升高，此时占空比减小以保持DC／DC级输出稳定，最终达到一个新的平衡状态。这样中间储能电容的耐压值需要很高，甚至达到1000V。当负载变重时，情况相反。怎样降低储能电容的电压是现在单级功率因数校正研究的热点。
三、重要考点
（一）选择题
1. 下列PFC芯片中属于电流连续型的一个是（）。
A. UC3852 B. SG6561 C. MC34262 D. UC3854
答案：D
2. 有源功率因数校正的控制方法有（）。
A. 平均电流型 B. 电流峰值控制C. 电流滞环控制
答案：ABC
页:
[1]