開(kāi)關(guān)電源功率因素校正（PFC）及其工作原理

4.2單級(jí)有源功率因數(shù)校正

單級(jí)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(gè)轉(zhuǎn)換器共用一套開(kāi)關(guān)管和控制電路(電路如圖3所示)，因此單級(jí)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(jí)PFC電路具有許多優(yōu)點(diǎn)：PFC級(jí)和DC/DC級(jí)共用1個(gè)開(kāi)關(guān)管，共用1套控制電路，這就使得電路設(shè)計(jì)大為簡(jiǎn)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(shí)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(jí)PFC電路正因?yàn)榫哂羞@些優(yōu)良的性能而越來(lái)越得到廣泛的研究和應(yīng)用。

但是，與傳統(tǒng)的兩級(jí)式DC/DC轉(zhuǎn)換器相比，單級(jí)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(gè)問(wèn)題在開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)顯得尤為突出。而且，由于開(kāi)關(guān)工作頻率不斷提高所帶來(lái)的電磁干擾問(wèn)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(jí)方案中還存在儲(chǔ)能電容電壓過(guò)高的情況，而且儲(chǔ)能電容電壓隨著輸入電壓及負(fù)載的變化而升高，這將會(huì)導(dǎo)致電路的穩(wěn)態(tài)特性受到一定的影響，同時(shí)某些元器件的體積成本會(huì)有所提高，這都是期待解決的問(wèn)題。通過(guò)比較可知，在輸出功率相同的情況下，單級(jí)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(duì)于兩級(jí)功率因數(shù)校正電路而言，相對(duì)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(kāi)關(guān)技術(shù)，特別是將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)與單級(jí)隔離型PFC技術(shù)結(jié)合在一起的方法，另外，怎樣降低儲(chǔ)能電容上的電壓也是現(xiàn)在單級(jí)功率因數(shù)校正研究的熱點(diǎn)。

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(Discontinuous Conduction Mode)和連續(xù)導(dǎo)通模式CCM(Continuous Conduction Mode)。一般認(rèn)為，采用電流連續(xù)導(dǎo)通方式，可利于實(shí)現(xiàn)輸入EMI濾波電路小型化，并可使電流應(yīng)力減小，實(shí)現(xiàn)高效率[6]- [7]。

DCM控制又稱電壓跟蹤方法(Voltage Follower)，它是PFC中簡(jiǎn)單而實(shí)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(kāi)關(guān)管由輸出電壓誤差信號(hào)控制，開(kāi)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(diǎn)是：(1)電路簡(jiǎn)單，不需要乘法器;(2)功率管實(shí)現(xiàn)零電流開(kāi)通(ZCS)且不承受二極管的反向恢復(fù)電流;(3)輸入電流自動(dòng)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(gè)主要問(wèn)題：(1)由于電感電流不連續(xù)，造成電流紋波較大，對(duì)濾波電路要求高;(2)開(kāi)關(guān)管電流應(yīng)力高，在同等容量情況下，DCM中開(kāi)關(guān)器件通過(guò)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(chǎng)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(cè)整流器的輸入電流作為反饋和被控量，具有系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、限流容易、電流控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。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(cè)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(diǎn)為：(1)輸入和輸出電流紋波小，THD和EMI小;(2)器件導(dǎo)通損耗小;(3)適用于大功率場(chǎng)合。

APFC的控制電路方式很多，為使控制部分簡(jiǎn)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集成電路，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(kāi)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(wú)法克服其固有的缺點(diǎn);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(shí)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(wú)故障工作時(shí)間(MTBF)，還可以通過(guò)增加監(jiān)視、保護(hù)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(jì)上具有更高的靈活性。傳統(tǒng)的模擬控制器是通過(guò)調(diào)節(jié)和改變具體元件的參數(shù)值來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的控制規(guī)律。這樣不可避免地會(huì)造成許多資源上的浪費(fèi)，而且設(shè)計(jì)周期比較長(zhǎng)。而數(shù)字控制器只需通過(guò)軟件編程就可以修改控制規(guī)律，還可以及時(shí)通過(guò)仿真驗(yàn)證，使得對(duì)設(shè)計(jì)工作變得相當(dāng)靈活。當(dāng)電源具體的性能要求改變時(shí)，為了修改控制規(guī)律，對(duì)于模擬控制器來(lái)說(shuō)，需要重新設(shè)計(jì)電路、刻板或布線;而對(duì)于數(shù)字控制器，則可通過(guò)編程來(lái)增加、刪除和修改任何控制參數(shù)，從而極大地縮短了設(shè)計(jì)周期。

數(shù)字控制器易于實(shí)現(xiàn)與其它數(shù)字設(shè)備之間的接口，從而具有較好的兼容性。在諸多產(chǎn)品中，便 攜數(shù)字設(shè)備(如PDA、無(wú)線電話、筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)等)對(duì)開(kāi)關(guān)電源的要求日益提高，如多級(jí)輸出、節(jié)約功耗、運(yùn)行模式、電磁兼容等問(wèn)題。

鑒于數(shù)字控制器的上述卓越優(yōu)點(diǎn)，數(shù)字控制器在電力電子應(yīng)用領(lǐng)域中大有取代模擬控制器的趨勢(shì)。用于開(kāi)關(guān)電源的數(shù)字控制器已經(jīng)在電力電子領(lǐng)域中引起了越來(lái)越多的關(guān)注。

參考文獻(xiàn)

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作者簡(jiǎn)介

姚志樹(shù)(1978-)，男，江蘇鹽城市人，碩士，講師，研究方向?yàn)殡娏﹄娮蛹夹g(shù)、電源技術(shù)。