直流开关电源技术及应用二

8 PFC

8.1 基本概念

PFC电路，即功率因数校正（Power Factor Correction）电路，是一种用于提高交流电源系统功率因数的技术装置。

电源加入PFC后的优势：

1. 提高能源效率：减少无功损耗，提高有功功率占比，提升设备整体效率。
2. 降低线路损耗：减少线路发热和压降，提高变压器利用率。
3. 减少谐波干扰：减少对电网和其他敏感设备的电磁干扰。
4. 符合标准：满足国际能效标准如IEC和EN6100055050的规定。

8.1.1 功率因数

功率因数是衡量交流电源系统中负载电流与电压之间相位差以及无功功率占比的一个参数，理想情况下，功率因数应为1，表示负载电流与电压完全同相且无无功功率消耗。

8.1.2 功率因数偏低带来的影响

1. 效率降低：低功率因数意味着相同的有功功率输出需要更大的电流，增加了输电线路上的电能损耗。

2. 电网负担加重：电流增大导致输电线缆、变压器等电力设施的负荷增大，可能需要升级电网设备以承载额外的电流。

3. 谐波污染：非线性负载（如开关电源、变频器等）产生的非正弦电流含有大量谐波，对电网造成污染，影响其他设备的正常工作，并可能导致电网稳定性下降。

PFC电路的主要目的是通过调整负载电流的波形，使之尽可能与电压波形同步，从而提高功率因数，减少无功功率，降低电网损耗，减轻电网负担，抑制谐波，提高整个电力系统的效率和稳定性。

8.1.3 特点

当$U_{ac}<U_C$，有负载工作，二极管截止，导致输入电流的高幅值尖峰脉冲。

想让输入电压与电流同相位，可以使用Boost-PFC电路。

调整Mos管，使输出电压为整流电压加电感电压。此时，$U_{ac}>U_C$即可使二极管一直导通，不存在截止状态。

就得到近似输入电压与电流的同相位了。

8.2 有源功率因数校正原理

以boost型PFC电路为例，介绍其控制技术。
根据这个电感电流是否连续pfc电路的工作模式可以分为不连续导电模式和连续导电模式。

8.2.1不连续工作模式的矫正原理

在输出功率小于200瓦的pfc电路中，多采用不连续导电工作模式。常用的控制技术有恒频控制技术和恒导通时间控制技术。

Boost型PFC不连续工作模式（DCM）电路控制原理如下：

工作过程

• 开关器件导通阶段：当开关器件（如MOSFET）导通时，电源电压开始为电感充电。电流从电源正极流经电感，经过开关器件，再流回电源的负极。在此过程中，电感电流逐渐上升，电感储存能量。同时，输出电容为负载提供电流，维持输出电压的稳定。
• 开关器件关断阶段：当开关器件关断时，电感中的电流由于无法突变，将通过二极管继续流动，形成一个新的回路。电流从电感出发，经过二极管，流向输出电容和负载，最终回到电源的负极。在此阶段，电感释放储存的能量，为负载提供电流。随着能量的释放，电感电流逐渐减小，直至降至零。此时，二极管截止，电感电流保持为零，直到下一个周期开始。

控制逻辑

• 反馈控制：控制逻辑主要基于输出电压和电感电流的反馈。控制电路实时监测输出电压和电感电流的变化，根据预设的阈值和条件调整开关器件的导通与关断时间。
• 维持输出电压稳定：控制电路可以确保电感电流在达到峰值后及时关断开关器件，避免不必要的能量损耗。同时，它还可以根据负载变化调整开关周期和占空比，以维持输出电压的稳定。例如，当负载加重时，控制电路会增加开关器件的导通时间或缩短开关周期，使电感储存更多的能量，从而维持输出电压不变。
• 功率因数校正：通过控制开关器件的导通时间，使输入电流在每个开关周期内的平均值与输入电压成正比，且相位相同，从而实现功率因数校正。在不连续工作模式下，电感电流在每个开关周期内都有一段为零的时间，这使得输入电流可以更好地跟踪输入电压的波形，减少电流谐波，提高功率因数。

恒频控制技术

Boost型PFC不连续工作模式电路恒频控制原理如下：

控制目标

• 功率因数校正：使输入电流波形跟踪输入电压波形，实现功率因数接近$1$，降低电网无功功率损耗，减少谐波污染。
• 稳定输出电压：确保在不同输入电压和负载条件下，输出电压保持在设定的稳定值。

控制关键要素

• 开关管控制：通过控制开关管的导通时间$t_{on}$和开关周期$T$来实现恒频控制，开关频率$f=\frac{1}{T}$保持恒定。
• 电压电流采样：对输入电压$u_{in}$、输出电压$u_{out}$和输入电流$i_{in}$进行实时采样，为控制电路提供反馈信号。

控制过程

• 电压环控制：将采样得到的输出电压$u_{out}$与设定的输出电压参考值$u_{ref}$进行比较，得到电压误差信号$\Delta u=u_{ref}-u_{out}$。该误差信号经过电压调节器（如PI控制器）调节，输出一个电流参考信号$i_{ref}$，其大小与输出电压的偏差成正比，用于控制输入电流，以维持输出电压的稳定。
• 电流环控制：将采样得到的输入电流$i_{in}$与电流参考信号$i_{ref}$进行比较，得到电流误差信号$\Delta i=i_{ref}-i_{in}$。该误差信号经过电流调节器（如PI控制器）调节，生成用于控制开关管导通时间的占空比信号$D$。当输入电流小于参考电流时，增加开关管的导通时间，使电感存储更多能量，进而增加输入电流；反之，减小开关管的导通时间。
• 占空比计算与控制：根据输入电压$u_{in}$、输出电压$u_{out}$以及电流误差信号等，通过特定的算法计算出开关管的占空比$D$。在恒频控制下，开关周期$T$固定，开关管的导通时间$t_{on}=D\times T$。控制电路根据计算出的导通时间$t_{on}$，在每个开关周期内控制开关管的导通与关断，使电路工作在恒频状态。

实现方式

• 控制芯片：通常采用专门的PFC控制芯片来实现恒频控制，这些芯片内部集成了电压采样、电流采样、误差放大、PWM生成等功能模块，能够根据输入的反馈信号精确地控制开关管的导通与关断。
• 驱动电路：将控制芯片生成的PWM信号转换为适合驱动开关管的信号，确保开关管能够快速、稳定地导通和关断，同时提供必要的电气隔离和保护功能。

公式

在PFC电路的不连续工作模式下，恒频控制技术的电感电流和电压的关系公式主要如下：

电感电流上升阶段

• 电流公式：$i_L(t)=i_{L0}+\frac{V}{L}$