一種新穎的功率因數(shù)校正芯片的研究

    摘要：介紹了一種新穎的功率因數(shù)校正（PFC）芯片。它的主要特點是提高了輕載時的功率因數(shù)和改善了電路的動態(tài)性能。實驗表明：這種新穎的PFC控制芯片實現(xiàn)了這些功能。

    關鍵詞：功率因數(shù)校正；動態(tài)性能；電流補償

引言

隨著電力質(zhì)量標準的貫徹執(zhí)行，功率因數(shù)校正（PFC）技術已成為電力電子領域中的研究熱點，PFC變換器已越來越多地應用于開關電源、變頻調(diào)速器和熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器中。近幾年來，隨著PFC技術的發(fā)展，PFC控制芯片也有了很大的發(fā)展。根據(jù)電路的工作模式，PFC控制芯片可以分成3類：

1）電流斷續(xù)的控制芯片；

2）電流臨界連續(xù)的控制芯片；

3）電流連續(xù)的控制芯片。

    本文介紹了一種新穎的電流連續(xù)的控制芯片NCP1650，它改善了PFC電路的動態(tài)性能，并且嚴格控制了PFC電路最大輸出功率，同時它還提高了輕載下的功率因數(shù)。本文以這種新穎的控制芯片制作了一個100W的PFC電路原理樣機，對芯片進行了分析，最后給出了實驗波形。

1 NCP1650功能介紹

NCP1650采用16腳SOP封裝，引腳配置如圖1所示，表1給出了引腳功能。它是一種平均電流模式的控制芯片，它可以應用在電流斷續(xù)和電流連續(xù)模式的PFC電路中。因為其內(nèi)部使用了精確的元件，電路的輸出功率和電流都可以精確限制，所以對于相同功率等級的PFC電路來說，可以使電路中的功率器件的等級達到最小。

表1 NCP引腳功能表

NCP1650具有軟啟動，輸出過壓保護，瞬時電流限制，輸入低壓保護，輸出最大功率限制等功能。

1.1 電流補償功能

對于輸出功率范圍寬的PFC電路來說，在輕載時的功率因數(shù)都受到不同程度的限制，但是在工業(yè)領域?qū)﹄娐返墓β室驍?shù)有嚴格的要求，因此大家越來越關注這個問題。NCP1650可以解決這個問題。

    NCP1650會根據(jù)實際輸入電流的大小，給采樣電流信號一個相應的補償，這樣就可以提高輕載時的功率因數(shù)。圖2給出了電流補償器原理圖。芯片中的電流采樣補償器是一個具有微分輸入的寬范圍帶寬放大器。它由一個微分輸入級，一個高頻電流鏡像器和一個低頻鏡像器構(gòu)成。其中低頻電流鏡像器有3個輸出端，分別給AC誤差放大器，功率乘法器和電流補償器。

圖4

    NCP1650的管腳12是一個負的電流采樣信號輸入。因此這種控制芯片的電流采樣補償器的輸入電壓信號是一個負電壓信號。其中管腳12還與內(nèi)部一個電流分流電阻（阻值為1kΩ）相接。當芯片工作時，電流分流電阻上的電壓被轉(zhuǎn)化為一個電流（i1），這個電流就會驅(qū)動高頻電流鏡像器。這個電流鏡像器的輸出（i1）與PFC電路中的電感瞬間電流成比例，如式（1）所示。

i1=Vis－/1kΩ   （1）

同時，這個高頻電流鏡像器通過一個15kΩ的電阻給緩沖放大器提供一個電壓信號；另外，這個高頻電流鏡像器的PWM輸出直接給PWM發(fā)生器提供一個信號，這樣就可以來控制開關管的驅(qū)動信號。當PFC電路工作輕載時，通過管腳12給芯片一個相應的電壓信號，它就會及時驅(qū)動高頻電流鏡像器，從而就會對采樣的電壓信號進行補償，增大了這個采樣信號，這樣就可以很好地跟蹤參考信號，以提高輕載下PFC電路的功率因數(shù)。

    1.2 動態(tài)性能的調(diào)節(jié)功能

對于PFC電路來說，動態(tài)性能是一個很難解決的問題。當輸入電壓或者輸出功率變化時都會引起輸出電壓很大的變化，這樣會大大降低電路的壽命，而且會給后面的DC/DC電路帶來很大的壓力。

    圖3中給出了解決動態(tài)響應的原理圖。當輸出電壓變高時，電壓反饋信號也相應地增加，當達到某個設定值時就會給PWM發(fā)生器一個信號，來控制驅(qū)動信號。對于輸出電壓降低也是一樣的。因為NCP1650內(nèi)部設置了電壓反饋基準的最大值和最小值，所以反饋信號只能在這個范圍內(nèi)變化，這樣當輸入電壓或者輸出功率變化時，輸出電壓變化的范圍不會很大，也就改善了動態(tài)性能。

2 實驗結(jié)果

PFC主電路圖參見圖4，其主要參數(shù)如下：輸入電壓AC90～265V；頻率47～63Hz；輸出電壓為DC400V；輸出最大功率100W；最大開關工作頻率為fmax=100kHz。

實驗結(jié)果證明了NCP1650很好地解決了輕載時PFC電路的功率因數(shù)，同時動態(tài)性能也得到了改善。圖5給出了輸入電壓115V，輸出功率20W時的輸入電流波形；圖6給出了輸入電壓115V，輸出功率100W時的輸入電流波形；圖7給出了輸入電壓230V，輸出功率20W時的輸入電流波形；

    圖8給出了輸入電壓230V，輸出功率100W時的輸入電流波形；圖9和圖10分別給出了輸出功率從輕載到滿載和從滿載到輕載時的輸出電壓。

3 結(jié)語

以NCP1650為核心設計的PFC電路，提高了輕載時的功率因數(shù)，這樣在輕載時降低了對電網(wǎng)的污染；同時它改善了在輸出功率變化時的動態(tài)性能。因此，它可以應用在對動態(tài)性能要求比較高和輸出功率范圍比較寬的場合。