NCP1650型功率因數(shù)校正器的工作原理

摘要：利用有源功率因數(shù)校正技術(shù)可以大大提高電能利用率，降低線路損耗，減小電網(wǎng)的諧波污染，提高電網(wǎng)質(zhì)量。介紹了美國Onsemi公司最新推出的NCP1650型功率因數(shù)校正集成電路的性能特點(diǎn)及工作原理。

關(guān)鍵詞：有源功率因數(shù)校正器；平均電流式；功率乘法器；基準(zhǔn)乘法器

NCP1650是美國Onsemi公司于2002年3月新推出的功率因數(shù)校正集成電路專利產(chǎn)品，可對85～265V、50Hz或60Hz交流電源系統(tǒng)的功率因數(shù)進(jìn)行自動(dòng)校正，大大提高電能利用率，達(dá)到節(jié)能目的。NCP1650采用固定頻率、平均電流式脈寬調(diào)制器，可廣泛用于服務(wù)器等設(shè)備的交流電源系統(tǒng)中，并可作為分布式電源系統(tǒng)的前端校正器，構(gòu)成1kW以下的功率因數(shù)校正器，功率因數(shù)可達(dá)0.95～0.99。

1功率因數(shù)校正器概述

目前，在開關(guān)電源、電子鎮(zhèn)流器、交流變頻調(diào)速器等裝置中的AC／DC變換器，都是由橋式整流器與電容濾波器構(gòu)成的。由于大容量濾波電容器的存在，使得整流二極管的導(dǎo)通角變得很窄，僅在交流電壓的峰值附近才能導(dǎo)通，致使交流電流產(chǎn)生嚴(yán)重的失真，變成了尖峰脈沖。這種電流波形中包含了大量的諧波分量，經(jīng)濾波后輸出的有功功率就會(huì)顯著降低。因此，普通AC／DC變換器的功率因數(shù)很低，只能達(dá)到0.6左右。交流供電設(shè)備的功率因數(shù)是在電流波形無失真情況下定義的。造成功率因數(shù)降低的原因有兩個(gè)：一是電流波形的相位漂移，二是電流波形存在失真。相位漂移通常是由電源的負(fù)載性質(zhì)（感性或容性）而引起的，在這種情況下對功率因數(shù)的分析相對簡單，一般可用公式cosα=P／UI來計(jì)算。但是當(dāng)電流波形存在失真時(shí)，分析起來就比較復(fù)雜，通常需要用計(jì)算機(jī)來仿真或者用交流分析儀來測量功率因數(shù)（λ）值。

對功率因數(shù)校正前、后的波形比較如圖1所示。圖1（a）為未進(jìn)行功率因數(shù)校正的普通隔離式電源變換器的電壓與電流波形圖，其電流波形已嚴(yán)重失真。圖1（b）為進(jìn)行功率因數(shù)校正后的u、i波形圖，其電流波形無失真且與電壓波形的相位保持一致。導(dǎo)致電流波形失真的主要原因是交流電經(jīng)過整流后的電流不能跟隨電壓波形的變化。而功率因數(shù)校正器的作用就是強(qiáng)迫線電流能跟隨線電壓波形的變化，它不僅能提高交流電源變換器的功率因數(shù)，還可以抑制諧波，減小峰值電流和有效值電流，消除基波的相位漂移。

傳統(tǒng)的功率因數(shù)概念是基于線性負(fù)載條件得到的，它要求交流設(shè)備中的電壓與電流為相同頻率的正弦波，因此可通過在感性負(fù)載兩端并聯(lián)移相電容來校準(zhǔn)功率因數(shù)，這種方法被稱作無源功率因數(shù)校正。但無源功率因數(shù)校正器存在著局限性，它不僅體積龐大、笨重、價(jià)格高，而且只對基波的相移加以補(bǔ)償。它僅對某些特定的諧波具有抑制作用。

（a）校正前

（b）校正后

圖1功率因數(shù)校正前、后的波形比較

目前在電力電子設(shè)備及開關(guān)電源中，存在著大量的非線性負(fù)載（AC／DC變換器中的橋式整流濾波器即是最典型的例子），這時(shí)傳統(tǒng)的無源功率因數(shù)校正已難于勝任。為了適應(yīng)電力電子技術(shù)的發(fā)展，自20世紀(jì)90年代以來，有源功率因數(shù)校正APFC（ActivePowerFactorCorrection）技術(shù)得到迅速推廣。它是在橋式整流器與輸出電容濾波器之間加入一個(gè)功率變換電路，將輸入電流校正成與輸入電壓相位相同且不失真的正弦波，使功率因數(shù)接近于1。交流輸入電壓經(jīng)橋式整流后，得到全波整流電壓uL（亦稱線路電壓），再經(jīng)DC／DC變換后，通過控制器使線路電流的平均值（Iavg）能自動(dòng)跟隨全波整流電壓基準(zhǔn)（uREF）的變化，并獲得穩(wěn)定的直流高壓輸出（通常UO=＋400V），給負(fù)載提供直流電壓源。

有源功率因數(shù)校正器主要包括乘法器和電流控制器。早期的有源功率因數(shù)校正器是用分立元件構(gòu)成的。近年來各種集成功率因數(shù)校正器已大量投放市場，其控制功能和技術(shù)指標(biāo)也在不斷提高。由美國Onsemi公司最新推出的NCP1650型功率因數(shù)校正器集成電路，是一種性能優(yōu)良的APFC芯片。

2NCP1650型功率因數(shù)校正器的性能特點(diǎn)1）它采用基于固定頻率的平均電流式脈寬調(diào)制器，能精確地設(shè)定輸入功率和輸出電流的極限值，適合構(gòu)成從100W至1kW的功率因數(shù)補(bǔ)償器。其交流輸入電壓范圍是85～265V，適用于50Hz或60Hz電網(wǎng)頻率。PFC的直流輸出電壓被設(shè)定為400V（額定值），能滿足UO>umax的條件。

2）NCP1650被設(shè)計(jì)成“真功率（TruePower）”限制電路。所謂真功率，是指電源系統(tǒng)在交流電的一個(gè)周期內(nèi)所消耗的平均功率。NCP1650即使工作在恒功率模式，也能保持很高的功率因數(shù)。

3）內(nèi)部使用了功率乘法器和基準(zhǔn)乘法器，與傳統(tǒng)的線性模擬乘法器相比，能顯著提高運(yùn)算精度。利用鋸齒波補(bǔ)償電路和平均電流補(bǔ)償電路，可對線路及負(fù)載進(jìn)行快速補(bǔ)償。

4）集成度高。片內(nèi)有3個(gè)誤差放大器（直流誤差放大器、交流誤差放大器、功率誤差放大器），1個(gè)電流檢測放大器，3個(gè)比較器（PWM比較器、掉電比較器、過沖比較器），2個(gè)緩沖器（基準(zhǔn)電壓緩沖放大器、交流基準(zhǔn)緩沖器），以及2個(gè)乘法器。3個(gè)誤差放大器均屬于跨導(dǎo)式放大器，其增益就等于跨導(dǎo)（gm）與阻抗負(fù)載（RL）的乘積。

5）具有完善的保護(hù)功能，包括電源欠壓保護(hù)、掉電保護(hù)、輸出電壓過沖保護(hù)、最大輸入功率限制、線電流及瞬態(tài)電流限制、軟啟動(dòng)電路。一旦發(fā)生過壓過載故障，能確保電源和設(shè)備不受損壞。

3NCP1650型功率因數(shù)校正器的工作原理

NCP1650型功率因數(shù)校正器采用SO－16封裝，內(nèi)部框圖如圖2所示。各引腳的功能如下：

UCC、GND分別為工作電源端和公共地，UCC的極限值為18V，典型值為14V，當(dāng)UCC≤10.5V時(shí)進(jìn)行欠壓保護(hù)；

UREF為6.5V直流基準(zhǔn)電壓引出端，為使基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定，該端對地需接一只0.1μF的消噪電容；

ACCOMP為交流補(bǔ)償端，外接阻容元件對交流誤差放大器進(jìn)行頻率補(bǔ)償； ACREF為交流誤差放大器的參考電壓引出端，外接一只濾波電容，交流誤差放大器屬于跨導(dǎo)放大器，接高阻抗負(fù)載；

ACIN為交流輸入端，整流后的全波整流電壓經(jīng)電阻分壓器接至此端；

FB／SD（Feedback／Shutdown）為反饋／掉電端，直流輸出電壓通過電阻分壓器為該端提供4.0V（典型值）的反饋電壓，UFB還被引到掉電比較器的反相輸入端，當(dāng)UFB≤0.75V時(shí)，就進(jìn)行掉電保護(hù)，禁止芯片輸出；

LOOPCOMP為電壓控制環(huán)的補(bǔ)償端，外接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，對直流誤差放大器進(jìn)行頻率補(bǔ)償；

PCOMP為功率控制環(huán)的補(bǔ)償端，外接RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，對功率誤差放大器進(jìn)行頻率補(bǔ)償；

NCP1650型功率因數(shù)校正器的工作原理

圖2NCP1650的內(nèi)部框圖

PIM為最大輸入功率設(shè)定端，利用外部電阻可設(shè)定最大輸入功率值；

Iavg為最大平均電流設(shè)定端，外接一只低溫度系數(shù)的金屬膜電阻，可設(shè)定最大平均值電流和電流檢測放大器的增益；

Iavg?fltr為外接濾波電容，濾除瞬態(tài)電流波形中的高頻成分，獲得線電流的平均值；

IS－為負(fù)極性的電流檢測輸入端，外接線電流檢測電阻RS；

RAMPCOMP為鋸齒波補(bǔ)償端，亦稱斜坡（RAMP）補(bǔ)償端；

CT為外接定時(shí)電容端；

OUT為輸出端，可直接驅(qū)動(dòng)MOSFET或者IGBT，亦可通過外部驅(qū)動(dòng)管來驅(qū)動(dòng)更大功率的MOSFET。

芯片內(nèi)部主要包括10部分：①帶隙基準(zhǔn)電壓源及緩沖放大器；②振蕩器及鋸齒波補(bǔ)償電路；③基準(zhǔn)乘法器與功率乘法器；④誤差放大器；⑤電壓／功率“或”網(wǎng)絡(luò)；⑥平均電流補(bǔ)償電路；⑦電流檢測放大器；⑧脈寬調(diào)制器及邏輯電路；⑨驅(qū)動(dòng)器；⑩保護(hù)電路（含輸出電壓過沖保護(hù)、欠壓保護(hù)、掉電保護(hù)、線電流及瞬態(tài)電流限制電路、最大輸入功率限制電路和軟啟動(dòng)電路）。下面介紹主要單元電路的工作原理。

3?1PFC控制環(huán)基本電路的工作原理

PFC控制環(huán)的基本電路如圖3所示。uL為橋式整流后的電壓，稱之為線電壓。因輸入濾波電容C1的容量很小，故uL為全波整流電壓。uL經(jīng)分壓后得到u1，加至ACIN端。該控制環(huán)路有3種輸入信號(hào)，分別為從ACIN端輸入的全波整流電壓u1，從FB／SD端輸入的直流反饋電壓UFB，從IS－端輸入的線電流信號(hào)iIN。PFC控制環(huán)的基本原理是由交流誤差放大器根據(jù)交流輸入電壓與交流輸入電流的參數(shù)來控制電源開

圖3PFC控制環(huán)的基本電路

圖4PFC電路中的工作波形

關(guān)，將輸入電流變成高質(zhì)量的正弦波，從而使功率因數(shù)接近于1。

基準(zhǔn)乘法器的一個(gè)輸入端接u1，另一端接直流誤差電壓Ur，再利用Ur去調(diào)節(jié)u1，使基準(zhǔn)乘法器輸出的交流基準(zhǔn)電壓（uREF）為不失真的全波整流波形。交流誤差放大器的同相輸入端接uREF，電流檢測放大器輸出的高頻電流信號(hào)i2則送至反相輸入端，有關(guān)系式i2=kiIN。與此同時(shí)，u1還通過平均電流補(bǔ)償電路輸出電壓u2，也加到交流誤差放大器的反相輸入端。該放大器輸出的交流誤差電壓為ur。uREF與u2、iIN的關(guān)系式為

uREF=u2＋kiIN（1）

式中：u2=0.75u1，比例系數(shù)k=8.0。

PFC電路中的工作波形如圖4所示。圖中的4.0V為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓。ur′為疊加上高頻電流i1以后的交流誤差電壓，該電壓就作為PWM比較器的輸入信號(hào)。從圖上可以看出kiIN在每個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)的變化情況。在ur′的波形中，電流信號(hào)i1已完全能夠跟隨ur′的變化，從而實(shí)現(xiàn)了功率因數(shù)校正的目的。

PWM比較器將ur′與4.0V基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比較，再利用二者的差值去控制MOSFET的關(guān)斷時(shí)刻。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)來到時(shí)MOSFET開通，直到ur′的瞬時(shí)值達(dá)到4.0V時(shí)才關(guān)斷。

3.2振蕩器及鋸齒波補(bǔ)償電路

該振蕩器能產(chǎn)生兩路信號(hào)，一路為鋸齒波信號(hào)，作為開關(guān)頻率信號(hào)；另一路為時(shí)鐘脈沖，作為RS觸發(fā)器的復(fù)位信號(hào)。鋸齒波頻率和時(shí)鐘頻率的典型值均為100kHz。振蕩頻率與定時(shí)電容的定性關(guān)系為

f=47000／CT（2）

式中：CT的單位是pF，f的單位是kHz。通常取CT=470pF，使f=100kHz。

3.3乘法器

與傳統(tǒng)的線性模擬乘法器不同，NCP1650使用的是基準(zhǔn)乘法器和功率乘法器，這兩種新型乘法器能大大提高運(yùn)算精度，使輸出信號(hào)量的誤差極小。乘法器的

NCP1650型功率因數(shù)校正器的工作原理

圖5乘法器的簡化電路

圖6NCP1650型功率因數(shù)校正器的典型應(yīng)用電路

簡化電路如圖5所示。每個(gè)乘法器都有兩個(gè)輸入端、一個(gè)輸出端。其中，A輸入端接一個(gè)電壓－電流（U／I）轉(zhuǎn)換器，可將UA信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流信號(hào)IA。P輸入端接PWM比較器的同相輸入端。乘法器的增益則由U／I轉(zhuǎn)換器的電壓／電流比率、電阻R、鋸齒波的峰值電壓與谷值電壓所決定。當(dāng)鋸齒波達(dá)到峰值時(shí)，在R上就獲得輸出電壓，該電壓與UA、UP的乘積成正比。RC濾波器的極點(diǎn)頻率應(yīng)高于2倍的電網(wǎng)頻率，對50Hz交流電而言，就應(yīng)高于100Hz，但不得超過100kHz。

功率乘法器中設(shè)有U／I轉(zhuǎn)換器。電流檢測放大器的輸出電流直接加到A輸入端。功率乘法器的增益受外部電阻R3、R8的控制。如圖6所示，其中，R3為最大輸入功率（PIM）的設(shè)定電阻。乘法器的輸出端還接有濾波電容C5。R8為最大平均值電流設(shè)定端（即Iavg端）的外接電阻。利用下式可以計(jì)算乘法器的增益AV：AV=(3)

式中：UCS——電流檢測放大器的輸入電壓有效值；

u1——加至第5腳的全波整流電壓有效值；

Uramp——鋸齒波電壓的峰－峰值（約為4V）。

顯見，當(dāng)R3和R8確定之后，功率乘法器的輸出電壓就與（UCS·u1）的乘積成正比，這就是功率乘法器的工作原理。

3.4脈寬調(diào)制及輸出級(jí)

它包括PWM比較器、RS觸發(fā)器、或門H和驅(qū)動(dòng)器。RS觸發(fā)器有兩個(gè)置位端（S）、一個(gè)復(fù)位端（R）。當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)的下降沿來到時(shí)，MOSFET開始導(dǎo)通，此時(shí)交流誤差放大器的輸出電壓、鋸齒波補(bǔ)償電壓和外部電感器上的瞬態(tài)感應(yīng)電流，疊加成一個(gè)復(fù)雜的波形UΣ，再與PWM比較器的4.0V參考電壓進(jìn)行比較。當(dāng)UΣ>4.0V時(shí)，PWM比較器就輸出高電平，將MOSFET關(guān)斷，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖來到時(shí)為止。但欠壓保護(hù)信號(hào)和過沖保護(hù)信號(hào)具有優(yōu)先權(quán)，它們可強(qiáng)迫輸出級(jí)關(guān)斷。驅(qū)動(dòng)器由互補(bǔ)型MOS場效應(yīng)管所組成。

3?5保護(hù)電路

包括輸出電壓過沖保護(hù)電路、欠壓保護(hù)電路、掉電保護(hù)電路、最大輸入功率限制電路、瞬態(tài)電流限制電路、線電流限制電路、軟啟動(dòng)電路。

參考文獻(xiàn)

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