实用新型开关电源技术原理及设计实例实训教材(连载217)

实用新型开关电源技术原理及设计实例

实训教材（连载217）

良师 精编

二零二二年六月 于上海

第四篇 新能源技术知识篇

第四节  PFC功率因数校正原理介绍

4.2 功率因数校正技术在开关电源领域的应用

有源功率因数校正电路可采用没有隔离变压器的功率开关变换器拓扑，如Buck变换器、Boost变换器以及Buck-Boost变换器。

图3所示的Buck 电路拓扑作为功率因数校正电路，它的输出直流电压低于输入电压。该电路输出电压的典型值在DC 30—50V的范围内。因此它不适合于功率较大的应用场合，因为输出大功率时需从功率校正电路抽取很大的电流。

Boost电路和Buck-Boost电路的拓扑在电源领域里应用比较广泛，因为它们在输出侧能够产生个高于输入电压峰值的直流电压，这样就能降低平均输出电流，见图4和图5。



图3  BUCK降压式功率因数校正电路
                                 



   

图4 BOOST升压式功率因数校正电路



             图5 BUCK-BOOST 升降压式功率因数校正电路
     Buck-Boost 电路的输出电压相对于整流器直流侧的参考点来说是反相的。后级的电源变换器和功率因数校正电压检测电路的输人为负电压，但是直流输出电压可以不受输入交流 电压的限制而任意调节。Buck-Boost电路主要的缺点是需要一个浮地驱动的功率开关和高击穿电压的半导体器件。

功率因数校正电路的控制问题目前是一个热点，各种专利的竞争也很激烈。

主要有三种控制方法：固定导通时间、临界导通模式(仅适合不连续模式)和连续模式。

固定导通时间方法的电路最简单，但它限制了输入瞬间电流的峰值。

临界导通模式没有输出整流器的反向恢复损耗，但是它的输出功率一般限于300～600W。

连续模式的升压功率因数校正电路能够在较大的输出功率下工作，但是如果不采用零转换软开关电路，将产生严重的整流器反向恢复损耗问题。当然采用零转换软开关 电路会增加电路成本。

对于消费者来说，功率因数校正产生的效益不是立竿见影的，因此增加成本对他们来说是一件很难接受的事。

基本的功率因数校正电路采用图6所示的控制方式，它可以应用于临界模式、不连续模式以及连续模式电路的情况。在控制芯片里有一个乘法器，它将输入的全波整流 电压波形瞬时值与误差放大器的输出相乘，作为电流参考信号，这样使输入电流跟随正弦电压波形。交流榆八经过输入EMI滤波后得到50～60Hz输入电流波 形，同时开关纹波得到了抑制。



                  图6 基本的功率因数校正电路

在设计功率因数校正电路时，需要认真考虑电感电流的工作模式。一般采用不连续的工作模式，适合于功率水平300～600W的应用场合。高电流峰值限制了它 在更大功率水平场合的应用。

当功率大于300W时，一般采用连续的工作模式。这样降低了功率开关和整流器的电流峰值，而且由于输入开关电流波形没有快速的跳变，输入纹波较易被EMI滤波器滤除。唯一的缺点是，由于功率开关在每次开通初期必须迫使整流器关断，所引起的二极管反向恢复损耗将明显上升。因此输出整流器(低Trr)的选择对功率因数校正级运行是十分关键。

对设计功率因数校正电路的一些说明

首先，EMI滤波器是功率因数校正电路的一个组成部分。它滤掉输入电流波形中的开关谐波分量。没有EMI滤波器，产品将不能通过功率因数测试之外的EMIIRFI测试。有关EMI滤波器设计的内容请参见噪声控制和电磁干扰。

其次，在测量时使用自耦变压器将会影响输入线路的电阻值，从而影响所测数据的准确性。许多单位在没有使用LISN时通过测试，一旦使用LISN就不能通 过。由LISN的阻抗导致的波形失真将大于只有交流线路阻抗时的情况。第三，所有的电压测量都是差分值，应使用专用的电流测量设备。