功率因數(shù)校正(英文縮寫(xiě)是PFC)是目前比較流行的一個(gè)專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)。PFC是在20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，其背景源于離線(xiàn)開(kāi)關(guān)電源的迅速發(fā)展和熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器的廣泛應(yīng)用。PFC電路的作用不僅僅是提高線(xiàn)路或系統(tǒng)的功率因數(shù)，更重要的是可以解決電磁干擾(EMI)和電磁兼容(EMC)問(wèn)題。
線(xiàn)路功率因數(shù)降低的原因及危害導(dǎo)致功率因數(shù)降低的原因有兩個(gè)，一個(gè)是線(xiàn)路電壓與電流之間的相位角中，另一個(gè)是電流或電壓的波形失真。前一個(gè)原因人們是比較熟悉的。而后者在電工學(xué)等書(shū)籍中卻從未涉及。
功率因數(shù)(PF)定義為有功功率(P)與視在功率(S)之比值，即PF=P/S。對(duì)于線(xiàn)路電壓和電流均為正弦波波形并且二者相位角Φ時(shí)，功率因數(shù)PF即為COSΦ。由于很多家用電器(如排風(fēng)扇、抽油煙機(jī)等)和電氣設(shè)備是既有電阻又有電抗的阻抗負(fù)載，所以才會(huì)存在著電壓與電流之間的相位角Φ。這類(lèi)電感性負(fù)載的功率因數(shù)都較低(一般為0.5-0.6)，說(shuō)明交流(AC)電源設(shè)備的額定容量不能充分利用，輸出大量的無(wú)功功率，致使輸電效率降低。為提高負(fù)載功率因數(shù)，往往采取補(bǔ)償措施。最簡(jiǎn)單的方法是在電感性負(fù)載兩端并聯(lián)電容器，這種方法稱(chēng)為并聯(lián)補(bǔ)償
PFC方案完全不同于傳統(tǒng)的“功率因數(shù)補(bǔ)償”，它是針對(duì)非正弦電流波形而采取的提高線(xiàn)路功率因數(shù)、迫使AC線(xiàn)路電流追蹤電壓波形的瞬時(shí)變化軌跡，并使電流與電壓保持同相位，使系統(tǒng)呈純電阻性的技術(shù)措施。
長(zhǎng)期以來(lái)，像開(kāi)關(guān)型電源和電子鎮(zhèn)流器等產(chǎn)品，都是采用橋式整流和大容量電容濾波電路來(lái)實(shí)現(xiàn)AC-DC轉(zhuǎn)換的。由于濾波電容的充、放電作用，在其兩端的直流電壓出現(xiàn)略呈鋸齒波的紋波。濾波電容上電壓的最小值遠(yuǎn)非為零，與其最大值(紋波峰值)相差并不多。根據(jù)橋式整流二極管的單向?qū)щ娦裕挥性贏C線(xiàn)路電壓瞬時(shí)值高于濾波電容上的電壓時(shí)，整流二極管才會(huì)因正向偏置而導(dǎo)通，而當(dāng)AC輸入電壓瞬時(shí)值低于濾波電容上的電壓時(shí)，整流二極管因反向偏置而截止。也就是說(shuō)，在AC線(xiàn)路電壓的每個(gè)半周期內(nèi)，只是在其峰值附近，二極管才會(huì)導(dǎo)通(導(dǎo)通角約為70°)。雖然AC輸入電壓仍大體保持正弦波波形，但AC輸入電流卻呈高幅值的尖峰脈沖，如圖l所示。這種嚴(yán)重失真的電流波形含有大量的諧波成份，引起線(xiàn)路功率因數(shù)嚴(yán)重下降。若AC輸入電流基波與輸入電壓之間的位移角是Φ1，根據(jù)傅里葉分析，功率因數(shù)PF與電流總諧波失真(度)THD之間存在下面關(guān)系：
實(shí)測(cè)表明，對(duì)于未采取PFC措施的電子鎮(zhèn)流器，僅三次諧波就達(dá)60％(以基波為100％)，THD會(huì)超過(guò)電流基波，PF不超過(guò)0.6。線(xiàn)路功率因數(shù)過(guò)低和電流諧波含量過(guò)高，不僅會(huì)對(duì)造成電能巨大浪費(fèi)，而且會(huì)對(duì)電力系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重污染，影響到整個(gè)電力系統(tǒng)的電氣環(huán)境，包括電力系統(tǒng)本身和廣大用戶(hù)。因此，IEC1000-3-2《家用電器及類(lèi)似類(lèi)電氣設(shè)備發(fā)出的諧波電流**》和IEC929(GB/T15144)《管形熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器的性能要求》等標(biāo)準(zhǔn)，都對(duì)AC線(xiàn)路電流諧波作出了具體的**要求
為提高線(xiàn)路功率因數(shù)，抑制電流波形失真，必須采用PFC措施。PFC分無(wú)源和有源兩種類(lèi)型，目前流行的是有源PFC技術(shù)。
1 無(wú)源PFC電路
無(wú)源PFC電路不使用晶體管等有源器件，而是由二極管、電阻、電容和電感等無(wú)源元件組成。無(wú)源PFC電路有很多類(lèi)型，其中比較簡(jiǎn)單的無(wú)源PFC電路由三只二極管和兩只電容組成，如圖2所示。這種無(wú)源PFC電路的工作原理是：當(dāng)50Hz的AC線(xiàn)路電壓按正弦規(guī)律由0向峰值Vm變化的1/4周期內(nèi)(即在0<t≤5ms期間)，橋式整流器中二極管VD2和VD3導(dǎo)通(VD1和VD4截止)，電流對(duì)電容C1并經(jīng)二極管VD6對(duì)C2充電。當(dāng)VAC，瞬時(shí)值達(dá)到Vm，因C1=C2，故C1和C2上的電壓相同，均為1/2Vm，當(dāng)AC線(xiàn)路電壓從峰值開(kāi)始下降時(shí)，電容C1通過(guò)負(fù)載和二極管VD5迅速放電，并且下降速率比AC電壓按正弦規(guī)律下降快得多，故直到AC電壓瞬時(shí)值達(dá)到1/2Vm之前，VD2和VD3一直導(dǎo)通。當(dāng)瞬時(shí)AC電壓幅值小于1/2Vm時(shí)，電容C2通過(guò)VD7和負(fù)載放電。當(dāng)AC輸入電壓瞬時(shí)值低于無(wú)源PFC電路的DC總線(xiàn)電壓時(shí)，VD2和VD3截止，AC電流不能通過(guò)整流二極管，于是IAC出現(xiàn)死區(qū)。在AC電壓的負(fù)半周開(kāi)始后的一段時(shí)間內(nèi)，VD1和VD4不會(huì)馬上導(dǎo)通。只有在AC瞬時(shí)電壓高于橋式整流輸出端的DC電壓時(shí)，VD1和VD4才能因正向偏置而導(dǎo)通。 一旦VD1和VD4導(dǎo)通，C1和C2再次被充電，于是出現(xiàn)與正半周類(lèi)似的情況，得到圖3所示的AC線(xiàn)路輸入電壓VAC和電流IAC波形。
從圖3可以看出，采用無(wú)源PFC電路取代單只電容濾波，整流二極管導(dǎo)通角明顯增大(大于120°)，AC輸入電流波形會(huì)變得平滑一些。在選擇C1=C2=10µF/400V的情況下，線(xiàn)路功率因數(shù)可達(dá)0.92~0.94，三次電流諧波僅約12％，五次諧波約18％，總諧波失真THD約28~30％。但是，這種低成本的無(wú)源PFC電路的DC輸出電壓紋波較大，質(zhì)量較差，數(shù)值偏低(僅約240V)，電流諧波成份并不能完全達(dá)到低畸變要求。當(dāng)其應(yīng)用于電子鎮(zhèn)流器時(shí)，因其DC輸出電壓脈動(dòng)系數(shù)偏大，燈電流波峰比達(dá)2以上，超出1.7的**要求。欲提高無(wú)源PFC的效果，電路則變得復(fù)雜，人們理所當(dāng)然地會(huì)選擇有源PFC方案。
有源PFC升壓變換器
有源PFC電路相當(dāng)復(fù)雜，但半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展為該技術(shù)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。基于功率因數(shù)控制IC的有源PFC電路組成一個(gè)DC-DC升壓變換器，這種PFC升壓變換器被置于橋式整流器和一只高壓輸出電容之間，也稱(chēng)作有源PFC預(yù)調(diào)節(jié)器。有源PFC變換器后面跟隨電子鎮(zhèn)流器的半橋逆變器或開(kāi)關(guān)電源的DC-DC變換器。有源PFC變換器之所以幾乎全部采用升壓型式，主要是在輸出功率一定時(shí)有較小的輸出電流，從而可減小輸出電容器的容量和體積，同時(shí)也可減小升壓電感元件的繞組線(xiàn)徑。
PFC變換器有不同的分類(lèi)方法。按通過(guò)升壓電感元件電流的控制方式來(lái)分，主要有連續(xù)導(dǎo)通模式(CCM)、不連續(xù)導(dǎo)通模式(DCM)及介于CCM與DCM之間的臨界或過(guò)渡導(dǎo)通模式(TCM)三種類(lèi)型。不論是哪一種類(lèi)型的PFC升壓變換器，都要求其DC輸出電壓高于最高AC線(xiàn)路電壓的峰值。在通用線(xiàn)路輸入下，最高AC線(xiàn)路電壓往往達(dá)270V，故PFC變換器輸出DC電壓至少是380V(270V√2V)，通常都設(shè)置在400V的電平上。
工作在CCM的PFC變換器，輸出功率達(dá)500W以上乃至3kW,在DCM工作的PFC變換器，輸出功率大多在60~250W，應(yīng)用比較廣泛，故在此作重點(diǎn)介紹。
工作于DCM的有源PFC升壓變換器控制IC有幾十種型號(hào)，如ST公司生產(chǎn)的L6560、西門(mén)子公司生產(chǎn)的TDA4817/TDA4862、摩托羅拉公司生產(chǎn)的MC33261/MC34261、三星公司生產(chǎn)的KA7524/KA7526、硅通公司生產(chǎn)的SG3561等。其中，L6560、KA7524/KA7526和MC33261等，在國(guó)內(nèi)直接可以采購(gòu)，應(yīng)用比較廣泛。這些器件全部采用8引腳DIP或SO封裝，芯片電路組成大同小異，其基本組成包括以電壓誤差放大器為中心的電壓控制環(huán)路和以一象限乘法器、電流感測(cè)比較器及零電流檢測(cè)器等構(gòu)成的電流控制環(huán)路。圖4示出了DCM升壓型PFC控制IC的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及由其組成的預(yù)變換器電路。
這種PFC升壓變換器的工作原理如下：當(dāng)接通AC線(xiàn)路后，由于電容C1容值僅為0.1~0.22 µ F，只用作高頻旁路，故橋式整流輸出為100Hz的正弦半波脈動(dòng)電壓(VR)，亦即AC半正矢。通過(guò)電阻R3的電流對(duì)電容C3充電，當(dāng)C3上的電壓升至IC的啟動(dòng)門(mén)限(大多為11V左右)以上時(shí)，接通IC電源電壓(VCC)，IC開(kāi)始工作，并驅(qū)動(dòng)PFC開(kāi)關(guān)VT1動(dòng)作。一旦PFC升壓變換器進(jìn)入正常運(yùn)行狀態(tài)，升壓電感器T1的次級(jí)繞組則感生高頻脈沖信號(hào)，經(jīng)二極管VD5整流和電容C3濾波，為IC提供工作電壓和電流。橋式整流后的AC輸入電壓，經(jīng)R1和R2組成的電阻分壓器分壓，作為乘法器的一個(gè)輸入(VM1)。升壓變換器的DC輸出電壓，在電阻分壓器下部電阻R9上的分壓信號(hào)，反饋到IC誤差放大器的反相輸入端，并與誤差放大器同相輸入端上的參考電壓VREF比較，產(chǎn)生一個(gè)DC誤差電壓VEAO，也輸入到乘法器。乘法器的輸出VMO是兩個(gè)輸入(VM1和VM2)的結(jié)果，作為IC電流感測(cè)比較器的參考。當(dāng)IC驅(qū)動(dòng)VT1導(dǎo)通時(shí)，升壓二極管VD6截止，流過(guò)L的電流從0沿斜坡線(xiàn)性增加，并全部通過(guò)VT1和地回復(fù)。一旦IL在開(kāi)關(guān)周期內(nèi)達(dá)到峰值，VT1上的驅(qū)動(dòng)PWM脈沖變?yōu)榱汶娖?，VT1截止，電感器L中的儲(chǔ)能使VD6導(dǎo)通，通過(guò)L的電流IL，沿向下的斜坡下降。一旦IL降為零，L的次級(jí)繞組產(chǎn)生一個(gè)突變電勢(shì)被IC的零電流檢測(cè)器接收，IC產(chǎn)生一個(gè)新的輸出脈沖驅(qū)動(dòng)VT1再次導(dǎo)通，開(kāi)始下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期。IC的電流檢測(cè)邏輯電路同時(shí)受零電流檢測(cè)器和電流傳感比較器的控制，可確保在同一時(shí)刻IC只輸出一種狀態(tài)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。VT1源極串聯(lián)電阻R7用作感測(cè)流過(guò)VT1的電流。只要R7上的感測(cè)電壓超過(guò)電流傳感比較器的觸發(fā)門(mén)限電平，PFC開(kāi)關(guān)VT1則截止。當(dāng)AC線(xiàn)路電壓從零按正弦規(guī)律變化時(shí)，乘法器輸出VMO為比較器建立的門(mén)限強(qiáng)迫通過(guò)L的峰值電流跟蹤AC電壓的軌跡。在各個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)電感峰值電流形成的包跡波，正比于AC輸入電壓的瞬時(shí)變化，呈正弦波波形。在兩個(gè)開(kāi)關(guān)周期之間，有一個(gè)電流為零的點(diǎn)，但沒(méi)有死區(qū)時(shí)間，從而使AC電流通過(guò)橋式整流二極管連續(xù)流動(dòng)(二極管的導(dǎo)通角幾乎等于180°)，整流平均電流即為AC輸人電流(為電感峰值電流的1/2)，呈正弦波波形，且與AC線(xiàn)路電壓趨于同相位，因而線(xiàn)路功率因數(shù)幾乎為1(通常為0.98~0.995)，電流諧波含量符合IEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定要求。與此同時(shí)，由于PFC電壓控制環(huán)路的作用，PFC變換器輸出經(jīng)提升的穩(wěn)壓DC電壓，紋波很大，頻率為100Hz，同樣為正弦波。其控制原理與開(kāi)關(guān)電源一樣，其DC輸出電壓在90~270V的AC輸入電壓范圍內(nèi)保持不變。
在DCM下工作的PFC升壓變換器相關(guān)電壓和電流波形如圖5所示，圖6為AC線(xiàn)路輸入電壓和電流波形。
事實(shí)上，工作于DCM的PFC升壓變換器開(kāi)關(guān)頻率不是固定的。在AC輸入電壓從0增大的峰值時(shí)，開(kāi)關(guān)頻率逐漸降低。在峰值A(chǔ)C電壓附近，開(kāi)關(guān)周期最大，而頻率最低。在連續(xù)模式(CCM)下工作的PFC升壓變換器采用固定頻率高頻PWM電流平均技術(shù)。這類(lèi)變換器的開(kāi)關(guān)占空比是變化的，但開(kāi)關(guān)周期相同。通過(guò)升壓電感器和PFC開(kāi)關(guān)MOSFET的電流在AC線(xiàn)路電壓的半周期之內(nèi)(即0<t<T/2)，任何時(shí)刻都不為0，而是時(shí)刻跟蹤AC電壓的變化軌跡，其平均電流(IAC)呈正弦波形，且與AC電壓同相位，如圖7所示。工作在CCM下的PFC變換器與DCM的變換器相比，有更低的波形畸變。THD降至5％左右。
CCM功率因數(shù)控制器IC的代表性產(chǎn)品有UC1854、ML4821，LT1248、LT1249、L4981和NCP1650等，這些IC大多采用16引腳封裝，其共同特征之一是內(nèi)置振蕩器。像開(kāi)關(guān)電源用PWM/PFC組合IC(如ML4803和CM6800等)中的PFC電路，全部屬于CCM平均電流這一類(lèi)型.
除DCM和CCM的PFC變換器之外，還有一種變換器工作在過(guò)渡模式(TM)，代表性控制器有L6561等。L6561內(nèi)置THD最佳化電路，在誤差放大器輸出端外部可連接RC補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，提供更低的AC輸入電流失真及保護(hù)功能。由L6561組成的PFC升壓變換器，輸出功率達(dá)300W。
應(yīng)用簡(jiǎn)介
無(wú)源PFC電路主要用于40W以下電子鎮(zhèn)流器中。由于有源PFC控制IC價(jià)格比較便宜，無(wú)源PFC電路目前很少被人們采用。
有源PFC預(yù)變換器越來(lái)越多地被用于熒光燈和高壓鈉燈及金鹵燈電子鎮(zhèn)流器、高端AC-DC適配器/充電器和彩電、臺(tái)式PC、監(jiān)視器及各種服務(wù)器開(kāi)關(guān)電源前端，以符合IEC1000-3-2等標(biāo)準(zhǔn)要求。此外，有源PFC技術(shù)還被用于電機(jī)調(diào)速器等產(chǎn)品中。
圖8示出了采用有源PFC升壓變換器的2×40W雙管熒光燈電子鎮(zhèn)流器電路。AC線(xiàn)路輸入端L1、C1與C2及C3和C4組成EMI濾波器，PFC控制器KAT7524、磁性元件T1、功率開(kāi)關(guān)VT1、升壓二極管VD2及輸出電容器C10等，組成有源PFC升壓變換器，磁環(huán)脈沖變壓器T2．功率開(kāi)關(guān)VT3和VT2及R14、C11和雙向觸發(fā)二極管D1AC(DB3)組成的振蕩啟動(dòng)電路構(gòu)成半橋逆變器電路，12、C12和L3、C13組成LC串聯(lián)諧振(燈啟動(dòng))電路。由于采用了有源PFC升壓變換器電路，電子鎮(zhèn)流器在AC線(xiàn)路電壓為220V額定條件下，變換器效率達(dá)96％，輸入線(xiàn)路功率因數(shù)PF≥0.993，AC輸入電流總諧波失真THD≤10.99％，其中二次諧波為0.51％，三次諧波為9.6％，五次諧波為4.7％，七次諧波為1.46％。電子鎮(zhèn)流器AC輸入電壓總諧波含量為4.23％。
有源PFC升壓變換器在開(kāi)關(guān)電源應(yīng)用中，為減少電路元件數(shù)量和印制電路板(PCB)空間，提高功率密度，大多是將PFC控制電路與PWM控制器組合在一起，集成到同一芯片上，從而提高了開(kāi)關(guān)電源的性能價(jià)格比，同時(shí)也簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)。
