PFC工作原理和控制方法

1、PFC工作原理和控制方法2010-12-15 14:46  分類： 電源知識    PFC不是一個新概念了，在UPS電源要運用地較多，而PC電源上很少見到PFC電路。PFC在PC電源上的興起，主要是源于CCC認證,所有需要通過CCC認證的電腦電源，都必須增加PFC電路。  PFC就是“功功率因數(shù)校正”的意思，主要用來表征電子產(chǎn)品對電能的利用效率。功率因數(shù)越高，說明電能的利用效率越高。  PC電源采用傳統(tǒng)的橋式整流、電容濾波電路會使AC輸入電流產(chǎn)生嚴重的波形畸變，向電網(wǎng)注入大量的高次諧波，因此網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)不高，僅有0.6左右，并 對電網(wǎng)和其它電

2、氣設(shè)備造成嚴重諧波污染與干擾。早在80年代初，人們已對這類裝置產(chǎn)生的高次諧波電流所造成的危害引起了關(guān)注。1982年，國際電工委員會 制訂了IEC552限制高次諧波的規(guī)范（后來的修訂規(guī)范是IEC100032），促使眾多的電力電子技術(shù)工作者開始了對諧波濾波和功率因數(shù)校正 （PFC）技術(shù)的研究。電子電源產(chǎn)品中引入PFC電路，就可以大大提高對電能的利用效率。  PFC有兩種，一種是無源PFC（也稱被動式PFC），一種是有源PFC（也稱主動式PFC）。無源PFC一般采用電感補償方法使交流輸入的基波電流與電 壓之間相位差減小來提高功率因數(shù)，但無源PFC的功率因數(shù)不是很高，只能達到0.70.8；有

3、源PFC由電感電容及電子元器件組成，體積小，可以達到很 高的功率因數(shù)，但成本要高出無源PFC一些。  有源PFC電路中往往采用高集成度的IC，采用有源PFC電路的PC電源，至少具有以下特點：  1） 輸入電壓可以從90V到270V；  2） 高于0.99的線路功率因數(shù)，并具有低損耗和高可靠等優(yōu)點；  3） IC的PFC還可用作輔助電源，因此在使用有源PFC電路中，往往不需要待機變壓器；  4） 輸出不隨輸入電壓波動變化，因此可獲得高度穩(wěn)定的輸出電壓；  5） 有源PFC輸出DC電壓紋波很小，且呈100Hz/120Hz（工頻2倍）的正弦

4、波，因此采用有源PFC的電源不需要采用很大容量的濾波電容。 原創(chuàng)】跟我學(xué)系列之一，CCM模式APFC電路設(shè)計 原 精 傳統(tǒng)的工頻交流整流電路，因為整流橋后面有一個大的電解電容來穩(wěn)定輸出電壓，所以使電網(wǎng)的電流波形變成了尖脈沖，濾波電容越大，輸入電流的脈寬就越窄，峰值越高，有效值就越大。這種畸變的電流波形會導(dǎo)致一些問題，比如無功功率增加、電網(wǎng)諧波超標(biāo)造成干擾等。 功率因數(shù)校正電路的目的，就是使電源的輸入電流波形按照輸入電壓的變化成比例的變化。使電源的工作特性就像一個電阻一樣，而不在是容性的。目前在功率因數(shù)校正電路中，最常用的就是由BOOST變換器構(gòu)成的主電路。而按照輸入電流的連 續(xù)與否，又分為DC

5、M、CRM、CCM模式。DCM模式，因為控制簡單，但輸入電流不連續(xù)，峰值較高，所以常用在小功率場合。CCM模式則相反，輸入電流 連續(xù)，電流紋波小，適合于大功率場合應(yīng)用。介于DCM和CCM之間的CRM稱為電流臨界連續(xù)模式，這種模式通常采用變頻率的控制方式，采集升壓電感的電流 過零信號，當(dāng)電流過零了，才開通MOS管。這種類型的控制方式，在小功率PFC電路中非常常見。今天我們主要談適合大功率場合的CCM模式的功率因數(shù)校正電路的設(shè)計。要設(shè)計一個功率因數(shù)校正電路，首先我們要給出我們的一些設(shè)計指標(biāo)，我們按照一個輸出500W左右的APFC電路來舉例：已知參數(shù)：交流電源的頻率fac50Hz最低交流電壓有效值U

6、min85Vac最高交流電壓有效值Umax265Vac輸出直流電壓Udc400VDC輸出功率Pout600W最差狀況下滿載效率92%開關(guān)頻率fs65KHz輸出電壓紋波峰峰值Voutp-p10V 那么我們可以進行如下計算：1，輸出電流Iout=Pout/Udc=600/400=1.5A2，最大輸入功率Pin=Pout/=600/0.92=652W3，輸入電流最大有效值Iinrmsmax=Pin/Umin=652/85=7.67A4，那么輸入電流有效值峰值為Iinrmsmax*1.414=10.85A5，高頻紋波電流取輸入電流峰值的20%，那么Ihf=0.2*Iinrmsmax=0.2*

7、10.85=2.17A6，那么輸入電感電流最大峰值為：ILpk=Iinrmsmax+0.5*Ihf=10.85+0.5*2.17=11.94A7，那么升壓電感最小值為Lmin=(0.25*Uout)/(Ihf*fs)=(0.25*400)/(2.17*65KHz)=709uH8，輸出電容最小值為：Cmin=Iout/(3.14*2*fac*Voutp- p)=1.5/(3.14*2*50*10)=477.7uF，實際電路中還要考慮hold up時間，所以電容容量可能需要重新按照hold up的時間要求來重新計算。實際的電路中，我用了1320uF，4只330uF的并聯(lián)。有了電感量、有了輸入電流，

8、我們就可以設(shè)計升壓電感了！PFC電路的升壓電感的磁芯，我們可以有多種選擇：磁粉芯、鐵氧體磁芯、開了氣隙的非晶/微晶合金磁芯。這幾種磁芯是各有優(yōu)缺點，聽我一一道來。磁粉芯的優(yōu)點是，值低，所以不用額外再開氣隙了。氣隙平均，漏磁小，電磁干擾比較低，不易飽和。缺點是，基本是環(huán)形的，繞線比較困難，不過目前市場上也出現(xiàn)了EE型的。另外，值隨磁場強度的增加會下降。設(shè)計的時候需要反復(fù)迭代計算。鐵氧體磁芯的優(yōu)點是損耗小，規(guī)格多，價格便宜，開了氣隙后，磁導(dǎo)率穩(wěn)定。缺點是需要開氣隙，另外飽和點比較低，耐直流偏磁能力比較差。非晶/微晶合金的優(yōu)點是飽和點高，開氣隙后，磁導(dǎo)率穩(wěn)定。同樣缺點是需要開氣隙。另外，大都是環(huán)狀的

9、。在此說明一下，環(huán)形鐵芯雖然繞線比較困難，沒有E型什么帶骨架的那種容易繞。但是環(huán)形鐵芯繞出 來的電感分布電容小，對將來處理電磁兼容帶來了很多便利之處。E型的骨架繞線一般都是繞好幾層，那么層間電容比較大，對EMC產(chǎn)生不利影響。另外，開氣隙 的鐵芯，在氣隙處，銅損會變大。因為氣隙處的漏磁在銅線上產(chǎn)生渦流損耗。下面我們就選擇一種環(huán)形磁粉芯來作為我們PFC電感的磁芯。我們上面已經(jīng)計算出了幾個參數(shù)：輸入電流最大有效值Iinrmsmax=Pin/Umin=652/85=7.67A輸入電感電流最大峰值為：ILpk=Iinrmsmax+0.5*Ihf=10.85+0.5*2.17=11.94A升壓電感最小值為

10、Lmin=(0.25*Uout)/(Ihf*fs)=(0.25*400)/(2.17*65KHz)=709uH下面繼續(xù)計算：線圈選擇電流密度為5A/平方毫米，那么可以計算出我們需要用的漆包線的線徑為：2×SQRT(7.67/(5×3.14)=1.4毫米因為我們這是按照最極限的輸入電壓也就是說按照最大的輸入電流時來計算的。所以電流密度取的裕量比較大。實際按照不同的成本要求，也可以把電流密度取大一些，比如此處取電流密度為8A/平方毫米的話，那么可以得到線徑為：2×SQRT(7.67/(8×3.14)=1.1毫米這也是可以接受的。因為是CCM模式的工作方式，基

11、波是低頻的半正弦波，在此處我們就不考慮趨膚效應(yīng)了。選用單根的漆包線就可以了。常用的幾個公式：LI=NBAeL：電感量，I：電流，N：匝數(shù)，B：磁感應(yīng)強度變化量，Ae：磁芯截面積L=N×N×AlAl：電感系數(shù)H=0.4×3.14×N×I/LeH：磁場強度，Le：磁路長度計算磁芯大小的方法有幾種，最常用的就是AP法，但實際上，因為磁粉芯的磁導(dǎo)率隨磁場強度變化較大，計算經(jīng)常需要迭代重復(fù)。另外，因為磁環(huán)的規(guī)格相對比較少。我們就不用AP法計算了。而是直接拿磁芯參數(shù)過來計算，幾次就可以得到需要的磁芯了。經(jīng)驗越豐富，計算就越快了。適合用來做PFC電感的磁粉芯

12、主要有三類：鐵鎳鉬(MPP)、鐵鎳50(高磁通)、鐵硅鋁(FeSiAl)。其中，鐵鎳鉬粉芯的飽和點大概在B=0.6附近。而后兩者都可以達到1以上。此處，我們選用某國產(chǎn)的鐵硅鋁粉芯，下面是該粉芯的一些特性曲線圖：   從圖上可以看見，當(dāng)磁場強度上升的時候，磁導(dǎo)率在下降。那么電感量也就會下降。所以，我們希望 電感量在承受直流偏磁時不要跌落的太多，那么設(shè)計所選擇的磁場強度就不能太高。我們選用初始磁導(dǎo)率0=60的鐵硅鋁粉芯，那么可以從圖中看到，當(dāng)磁場強 度為100Oe時，磁導(dǎo)率還有原來的42%，而當(dāng)磁場強度為100Oe時，磁感應(yīng)強度為0.5T，遠未到飽和點。我們就把設(shè)計最

13、大磁場強度定為 100Oe。那么根據(jù)L=N×N×AlH=0.4×3.14×N×I/Le我們得到的限制條件是：0.4×3.14×SQRT(L/Al)×I/Le<100由于100Oe時，磁導(dǎo)率只有初始值的42%，所以我們要對上式中的Al乘上這個系數(shù)。那么帶入相關(guān)的參數(shù)L=709uH，I=11.94A，我們有：0.4×3.14×SQRT(709E-6/(0.42×Al)×11.94/Le<100，簡化后得到：0.616/(Le×SQRT(Al)<100注意：上式中，Le的單位是：cm，Al的單位是：H/N2現(xiàn)在，我們可以把磁芯參數(shù)帶入計算了。選擇一個：A60-572A，Le=14.3cm，Al=140nH/(N