AC/DC前端轉(zhuǎn)換器模塊中功率因數(shù)校正技術(shù)介紹

 根據(jù)定義，交流電源的功率因數(shù)(PF)定義為流入負(fù)載的實際功率(瓦)與電路中的視在功率之比，它是電流和電壓的乘積。它表示為PF =實際功率(W)/視在功率(VA)。 PF方程表明它是介于0和1之間的數(shù)字。因此，當(dāng)電流和電壓同相和正弦時，PF為1.但是，如果兩者都是正弦但不同相，則視在功率大于實際值。功率和PF是電流和電壓波形之間的相角的余弦。在實踐中，PF = 1是負(fù)載是純電阻和線性的理想情況。實際上，電子系統(tǒng)中的離線AC/DC電源是開關(guān)模式，呈現(xiàn)非線性負(fù)載。

由于目前大多數(shù)電源都是開關(guān)模式，因此它們會產(chǎn)生非正弦波形，從而產(chǎn)生輸入電流和電壓之間的相位角。當(dāng)電流波形不跟隨電壓波形時，它會導(dǎo)致PF低于1.除了功率損耗之外，《1 PF會導(dǎo)致諧波沿中性線傳播并破壞連接到交流電源線的其他設(shè)備。 PF數(shù)越低，AC線上的諧波含量越高，反之亦然。因此，有嚴(yán)格的規(guī)定來限制交流電源線上允許的諧波失真。例如，歐洲的EN61000-3-2 [1]被引入以限制將電子設(shè)備反射的諧波發(fā)送回電源。它適用于所有D類電子系統(tǒng)，如PC(包括筆記本電腦和PC顯示器)，以及消耗超過75 W的無線電和電視接收器.D類是四類(A，B，C和D)之一按EN61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)分類，該標(biāo)準(zhǔn)對每個等級施加不同的諧波電流限制。該標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)已在國際上被接受。

為了符合EN61000-3-2等法規(guī)的諧波要求并保持較高的整體PF性能，有必要在電子系統(tǒng)中使用的AC/DC前端轉(zhuǎn)換器模塊中加入功率因數(shù)校正(PFC)功耗超過75 W.實現(xiàn)PFC可實現(xiàn)高PF值并確保低諧波。正如我們將要看到的，目前有許多無源和有源技術(shù)可用于AC前端采用的眾多電源拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

無源PFC

如安森美半導(dǎo)體公布的功率因數(shù)校正手冊第一章所述[2]，控制諧波電流的最簡單方法是使用僅在線路頻率下通過電流的無源濾波器(例如，50或60赫茲)。該濾波器降低了諧波電流，這意味著非線性器件現(xiàn)在看起來像線性負(fù)載。使用內(nèi)置電容器和電感器的濾波器，功率因數(shù)可以接近一致。然而，缺點是濾波器需要大值的高電流電感器和高壓電容器，其體積大且昂貴。

圖1顯示了三種不同250 W PC電源的輸入諧波，與根據(jù)EN/IEC61000-3-2 D類設(shè)備規(guī)范的限值進(jìn)行了比較。諧波幅度與這些設(shè)備的輸入功率成比例。如圖所示，無源PFC的性能幾乎不符合三次諧波的限制。帶有源PFC的單元符合并優(yōu)于IEC61000-3-2規(guī)范。

圖1：相比之下，帶有源PFC控制器的電源優(yōu)于被動式PFC超過電源線諧波的IEC61000-3-2規(guī)范。 (由安森美半導(dǎo)體公司提供。)盡管設(shè)計和使用簡單，但無源PFC電路有一些缺點。首先，電感器的體積限制了它在許多應(yīng)用中的可用性。其次，對于全球運行，需要線電壓范圍開關(guān)。如果沒有正確地進(jìn)行開關(guān)選擇，則開關(guān)的結(jié)合使得器具/系統(tǒng)易于發(fā)生操作員錯誤。最后，未被調(diào)節(jié)的電壓軌導(dǎo)致在PFC級之后的DC/DC轉(zhuǎn)換器的成本和效率損失。

有源PFC

除性能外，銅和磁芯材料的成本上升，加上半導(dǎo)體成本的下降，使得有源PFC解決方案的平衡趨于平衡，即使在對成本最敏感的消費設(shè)備中也是如此。在下面的方案中(圖2)，有源PFC電路放置在輸入整流器和存儲電容之間，然后是DC/DC轉(zhuǎn)換器。具有相關(guān)電路的PFC IC對輸入電流進(jìn)行整形，以匹配輸入電壓波形，實現(xiàn)0.9和更高的PF。

圖2：有源PFC控制器電路位于輸入整流器和存儲電容之間。 (由安森美半導(dǎo)體提供。)從根本上說，有三種不同類型的有源PFC控制器芯片。這些包括臨界傳導(dǎo)模式(CrM)，連續(xù)傳導(dǎo)模式(CCM)和不連續(xù)傳導(dǎo)模式(DCM)。有幾家制造商提供各種這些有源PFC IC，但每個供應(yīng)商都提供自己的版本和使用它們的理由。

CrM控制方案將電感電流保持在連續(xù)和不連續(xù)傳導(dǎo)之間的臨界極限。因此，一些供應(yīng)商更喜歡將其稱為邊界傳導(dǎo)模式或BCM。由于在該方案中總是知道波形，所以平均電流和峰值電流之間的關(guān)系也是已知的。安森美半導(dǎo)體為高達(dá)300 W的中等功率應(yīng)用提供各種電壓模式CrM PFC IC。此類別中的最新產(chǎn)品是MC34262/MC33262控制器。

另一家CrM PFC控制器供應(yīng)商是Fairchild Semiconductor。其FAN6920MR在單個封裝中集成了CrM PFC控制器和準(zhǔn)諧振PWM控制器。對于PFC，F(xiàn)AN6920MR使用受控的導(dǎo)通時間技術(shù)來提供穩(wěn)定的DC輸出電壓，以及執(zhí)行功率因數(shù)校正。

由于峰值電流應(yīng)力較低，同時紋波電流減小，濾波任務(wù)更容易，因此CCM控制在許多應(yīng)用中廣泛使用，范圍從中等功率到高功率應(yīng)用。一些提供基于CCM的PFC控制器的主要供應(yīng)商包括Fairchild Semiconductor，Infineon Technologies，International Rectifier，NXP Semiconductor，ON Semiconductor，Power Integrations和Texas Instruments。

在DCM空間(也是中低功率應(yīng)用的首選)中，Cirrus Logic采用數(shù)字技術(shù)創(chuàng)建了一種非連續(xù)模式有源PFC控制器，無需多個無源元件即可實現(xiàn)低成本適用于PC，筆記本適配器和數(shù)字電視接收器的PFC解決方案。 CS1500(圖3)采用可變導(dǎo)通時間和可變頻率算法，以實現(xiàn)接近單位功率因數(shù)和低EMI輻射，從而簡化EMI濾波。

圖3：Cirrus Logic的數(shù)字PFC控制器執(zhí)行自適應(yīng)數(shù)字算法，將交流電源輸入電流波形整形為與輸入電壓波形同相。