單相電源功率因數(shù)校正電路的分析與改進(jìn)

0 引言
隨著全球能源的日益緊缺，人們越來越關(guān)注電源的節(jié)能，因而有源功率因數(shù)校正(APFC)在照明電源、通信電源等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。以往的電源整流電路是將工頻電壓通過整流二極管直接對大容量電解電容充電以獲得高壓直流供電電壓。這種電路的缺點(diǎn)是輸入電流只在電源電壓的峰值時(shí)流入電路，它含有極高的諧波分量，電能浪費(fèi)嚴(yán)重，且對系統(tǒng)產(chǎn)生電磁干擾。
有源功率因數(shù)校正是通過高頻半導(dǎo)體開關(guān)和電感的組合使輸入電流導(dǎo)通角展寬來實(shí)現(xiàn)的，其中的臨界斷續(xù)模式APFC電路在中小功率電源中得到了普遍的應(yīng)用。

l L656l的工作原理和典型應(yīng)用
L656l的典型應(yīng)用電路如圖l所示(不含虛線框部分)。

在高壓大電流場合，如果在二極管還在正向?qū)娏鞯臅r(shí)候，突然施加反向高壓，將會(huì)有很大的反向恢復(fù)電流流動(dòng)，產(chǎn)生較大的功耗，影響電路的可靠性和效率。因此在連續(xù)模式APFC電路中必須使用具有極短反向恢復(fù)時(shí)間trr的二極管。對于臨界斷續(xù)模式APFC來說，由于功率M0S管是在二極管的正向?qū)娏飨陆档搅阋院蟛砰_通，所以對trr的要求不高，二極管的關(guān)斷和M0S管的開通損耗很小。
為了檢測出二極管中的正向?qū)娏飨陆档搅愕臅r(shí)間點(diǎn)，通常的APFC控制芯片(如ST的L6561和Onsemi的MC33262)是通過檢測升壓線圈次級(jí)繞組的電壓下降沿來實(shí)現(xiàn)的。其工作原理是：當(dāng)MOS管關(guān)斷以后，升壓電感中的能量通過二極管釋放給輸出電容，所以二極管中的電流即是升壓電感的電流，電感兩端電壓為輸入電壓與輸出直流電壓之差。當(dāng)電感中能量釋放完以后，二極管截止，電感電壓下降為零。控制芯片檢測到電壓下降沿后，立即開通M0S管，實(shí)現(xiàn)臨界導(dǎo)通工作模式。

2 L6561在電源電壓過高時(shí)的問題
如圖l所示，當(dāng)工頻輸入電壓升高，其峰值接近輸出電壓時(shí)，L6561無法止常工作。這是因?yàn)楫?dāng)M0S管關(guān)斷后，二極管導(dǎo)通時(shí)，電感兩端電壓很低，次級(jí)繞組提供給控制芯片ZCD端(腳5)的電壓信號(hào)低于2.1 V的閾值電壓，因此在二極管電流下降為零時(shí)也就無法檢測到電壓下降沿信號(hào)，L6561輸出保持為零，直到芯片內(nèi)部定時(shí)器(大約80μs)結(jié)束后再輸出驅(qū)動(dòng)脈沖。實(shí)測表明，此時(shí)APFC工作頻率大約為10 kHz，輸入濾波電路不但無法將其濾掉，反而使濾波電感L1和濾波電容C1、C2之間產(chǎn)生振蕩而在電網(wǎng)上產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，并影響設(shè)備的可靠工作。當(dāng)有多個(gè)這種電路接在電網(wǎng)上同時(shí)工作時(shí)，由于相互之間產(chǎn)生諧振，其危害特別嚴(yán)重。

3 改進(jìn)的電路
為了避免這種干擾，有必要在工頻電壓過高時(shí)將APFC關(guān)掉。使10kHz的振蕩無法形成。
3.1 靜態(tài)檢測
在輸出直流高壓為一固定值(如400V)的情況下，可通過比較器檢測工頻電源峰值，在電源峰值超過設(shè)定值時(shí)將APFC電路關(guān)閉。當(dāng)輸出為可變直流高壓時(shí)，則可采用以下電路，實(shí)現(xiàn)輸入與輸出之間的動(dòng)態(tài)檢測。
3.2 動(dòng)態(tài)檢測
其實(shí)現(xiàn)方式如圖1中虛線框內(nèi)電路所示。主要思路是：設(shè)置一電壓檢測電路，當(dāng)檢測到電感次級(jí)繞組的電壓不能保證超過L6561的閾值電壓時(shí)，則將APFC電路關(guān)閉，以消除振蕩。
圖l中比較器LM393A的同相端接2.3V基準(zhǔn)電壓，反相端通過波形整形電路接到電感的次級(jí)繞組。因?yàn)長6561的閾值電壓為2.1 V，因此腳5電壓低于2.1 V即不能正常工作。本電路利用比較器來檢測腳5電壓，當(dāng)電壓低于2.3 V時(shí)輸出高電平到D觸發(fā)器的輸入端D。L6561的輸出驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過反相器接到D觸發(fā)器的時(shí)鐘端CK，當(dāng)M0S管關(guān)斷時(shí)在CK端產(chǎn)生上跳沿觸發(fā)信號(hào)，將D端數(shù)據(jù)送至反相輸出端腳2(Q)。R8、C4的時(shí)間常約為1μs，以保證在D端信號(hào)穩(wěn)定后再將上跳沿加到CK端。555定時(shí)電路接成單穩(wěn)態(tài)形式，通過C6將信號(hào)耦合至555電路的觸發(fā)端腳2，使輸出端腳3發(fā)出一個(gè)正脈沖信號(hào)，此信號(hào)送至L6561的INV端(腳1)，使腳l電平升高，因次L6561進(jìn)入輸出過壓保護(hù)狀態(tài)，APFC停止工作。D7的作用是隔斷555電路的腳3的低電平對L6561的腳1電壓的影響。比較器TM393B的作用是：在工頻電源電壓較低時(shí)，將電壓檢測電路的輸出屏蔽掉，使電源電壓過零時(shí)的一些干擾信號(hào)不會(huì)使檢測電路誤動(dòng)作。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖2～圖4為單個(gè)APFC電路工作時(shí)的實(shí)測波形，上邊通道為電源電壓波形，下邊通道為電源電流波形。由波形可以看到，220V時(shí)，電源電流比較光滑；當(dāng)電壓升到255 V時(shí)，在電源電壓的峰值處有電流的振蕩；電路改進(jìn)后，電流振蕩消失。

5 結(jié)語
由以上的電路分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，對于有源功率因數(shù)校正電路而言，當(dāng)工頻輸入電壓過高，其峰值接近輸出電壓時(shí)，電路會(huì)產(chǎn)生不希望有的振蕩。為了提高可靠性，有必要對其作更深入的研究，本文提出的改進(jìn)方案，得到了較好的改進(jìn)效果。