校正功率因数的实用方法
涉及PFC的主要标准是EN 61000-3-2 ,这是为了最小化从电网提供的任何电流的THD而编写的,通过定义从第二次到第四十次的所有谐波的最大幅值来实现。PFC的要求也在其他文件中(例如能源之星规范Energy Star)有所提及,许多人认为这导致了PFC技术普遍用于许多应用。
到目前为止,用于满足这些标准的最常见和最有效的PFC是有源PFC。一种典型的方法是在输入整流桥和大电容器之间添加一个PFC预稳压器,以提供恒定的电压,同时确保电流波形是正弦的。
图2:PFC在二极管桥和大电容器之间
这种方法除了明显提高功率因数外,还有许多好处。从PFC阶段的输出通常是一个相当好调节的400 V,这使得下游转换器的设计更容易,成本更低。另外,无脉冲电流降低了EMI滤波要求,减少了体积和成本。
然而,这种类型的PFC预转换器不能达到100%的能效,因此,确实造成了系统损耗。在任何电源系统中,都有两种主要类型的损耗,开关和导通。导通损耗是两种损耗之和:一种由于桥二极管的正向电压等因素与系统功率成正比,另一种与系统功率平方成正比,从而构成阻抗损耗如MOSFET的导通电阻。在较高的功率水平下,后者对能效的影响最大。
图3:开关和导通损耗构成电源系统的总损耗
另一方面,开关损耗很大部分与电流成正比,因此与传输的功率成正比。而其它部分是恒定的,与系统的功率无关。它们是由寄生电容和电荷电流引起的,通常与系统的开关频率成正比。随着设计人员增加工作频率以减少系统尺寸,开关损耗成为一个更大的挑战,特别是在较低的功率水平下,它们在能效损耗中占相当大比例。
PFC控制方案
PFC的各种控制方案都是为了满足不同系统的需要而开发的,但总目标都是降低轻载下的开关损耗和较重负载下的导通损耗。
如图所示,有三种基本的控制方案。连续导通模式(CCM)在固定频率工作和限制电感电流纹波,同时支持更高损耗。它通常用于较高功率系统(>300 W)。
临界导通模式(CrM)在电感电流降到零时开始一个新的开关周期,从而可省去快速恢复二极管。这导致可变开关频率具有较大纹波电流。这种简单而低成本的方案广泛用于包括照明在内的低功耗应用。随着低导通电阻的MOSFET越来越普遍,CrM正用于更高功率的应用中。
图4:初级单路PFC工作模式
频率钳位临界导通模式(FCCrM)是在几年前由安森美半导体推出的,用以限制CrM下的扩频。在频率最高的轻载下,工作模式改为非连续导通模式(DCM),以降低开关损耗。额外的电路解决了DCM中典型的“死区时间”,从而确保当前的波形是正确的形状。
安森美半导体提供广泛的器件方案,包括功率因数控制器和电源开关,以及重要的设计资源,使设计人员有把握地开发PFC方案。
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