開關電源功率因素校正（PFC）及其工作原理

4.2單級有源功率因數(shù)校正

單級PFC技術的基本思想，是將有源PFC轉換器和DC/DC轉換器合二為一。兩個轉換器共用一套開關管和控制電路(電路如圖3所示)，因此單級PFC技術降低了成本，提高了效率，減小了電路的重量和體積。

單級PFC電路具有許多優(yōu)點：PFC級和DC/DC級共用1個開關管，共用1套控制電路，這就使得電路設計大為簡捷，降低了硬件成本;變換中能提供任何選定的電壓和電流比;由于功率實現(xiàn)的是一次性變換，所以能獲得較高的效率和可靠性。單級PFC電路正因為具有這些優(yōu)良的性能而越來越得到廣泛的研究和應用。

但是，與傳統(tǒng)的兩級式DC/DC轉換器相比，單級PFC轉換器要承受更高的電壓應力，有更多的功率損耗。這個問題在開關頻率較高時顯得尤為突出。而且，由于開關工作頻率不斷提高所帶來的電磁干擾問題也日益嚴重，顯著影響了轉換器工作的可靠性和頻率的提高。單級方案中還存在儲能電容電壓過高的情況，而且儲能電容電壓隨著輸入電壓及負載的變化而升高，這將會導致電路的穩(wěn)態(tài)特性受到一定的影響，同時某些元器件的體積成本會有所提高，這都是期待解決的問題。通過比較可知，在輸出功率相同的情況下，單級功率因數(shù)校正電路在功率因數(shù)校正能力和電源的轉換效率等方面，相對于兩級功率因數(shù)校正電路而言，相對要差一些。近些年，專家學者先后提出了許多零電壓及零電流軟開關技術，特別是將軟開關技術與單級隔離型PFC技術結合在一起的方法，另外，怎樣降低儲能電容上的電壓也是現(xiàn)在單級功率因數(shù)校正研究的熱點。

5 有源功率因數(shù)校正的控制方式

根據(jù)電感電流是否連續(xù)，APFC有下面幾種工作模式：不連續(xù)導通模式DCM(Discontinuous Conduction Mode)和連續(xù)導通模式CCM(Continuous Conduction Mode)。一般認為，采用電流連續(xù)導通方式，可利于實現(xiàn)輸入EMI濾波電路小型化，并可使電流應力減小，實現(xiàn)高效率[6]- [7]。

DCM控制又稱電壓跟蹤方法(Voltage Follower)，它是PFC中簡單而實用的一種控制方式。這類轉換器工作在不連續(xù)導電模式，開關管由輸出電壓誤差信號控制，開關周期為常數(shù)。由于峰值電感電流基本上正比于輸入電壓，因此，輸入電流波形跟隨輸入電壓波形變化。

DCM控制方式的優(yōu)點是：(1)電路簡單，不需要乘法器;(2)功率管實現(xiàn)零電流開通(ZCS)且不承受二極管的反向恢復電流;(3)輸入電流自動跟蹤電壓且保持較小的電流畸變率。

但是DCM方式存在著以下兩個主要問題：(1)由于電感電流不連續(xù)，造成電流紋波較大，對濾波電路要求高;(2)開關管電流應力高，在同等容量情況下，DCM中開關器件通過的峰值電流是CCM的兩倍，由此導致通態(tài)損耗增加，因此只適用于小功率的場合。

中大功率電路通常采用CCM工作方式，而CCM根據(jù)是否直接選取瞬態(tài)電感電流作為反饋量，又可分為直接電流控制和間接電流控制。直接電流控制檢測整流器的輸入電流作為反饋和被控量，具有系統(tǒng)動態(tài)響應快、限流容易、電流控制精度高等優(yōu)點。直接電流控制有峰值電流控制(PCMC)，滯環(huán)電流控制(HCC)，平均電流控制(ACMC )，預測瞬態(tài)電流控制(PICC)，線性峰值電流控制(LPCM)，非線性載波控制(NLC)等方式。CCM控制方式的優(yōu)點為：(1)輸入和輸出電流紋波小，THD和EMI小;(2)器件導通損耗小;(3)適用于大功率場合。

APFC的控制電路方式很多，為使控制部分簡單化、小型化，己有IC廠家生產(chǎn)出各種不同性能和用途的專用集成電路，一般控制方式有兩類：利用乘法器控制法及電壓跟隨器方法。乘法器控制法包括：電流峰值控制、電流滯環(huán)控制以及平均電流控制，電壓跟隨器方法包括：零電流連續(xù)控制模式和電流斷續(xù)控制模式。

6 功率因數(shù)校正技術的發(fā)展方向

開關電源的模擬控制技術發(fā)展了很多年，各方面都比較成熟，但卻無法克服其固有的缺點;控制電路復雜，元器件比較多，不利于小型化的發(fā)展;控制電路一旦成型，很難修改，調(diào)試不方便;控制不靈活，復雜的控制方法用模擬的方法很難實現(xiàn)。

與傳統(tǒng)的模擬控制器相比，數(shù)字控制器具有更高的可靠性。數(shù)字控制器使用非常少的模擬元器件，可以增加系統(tǒng)的平均無故障工作時間(MTBF)，還可以通過增加監(jiān)視、保護和預警等功能提高系統(tǒng)的工作可靠性。

數(shù)字控制器較傳統(tǒng)的模擬控制器，在設計上具有更高的靈活性。傳統(tǒng)的模擬控制器是通過調(diào)節(jié)和改變具體元件的參數(shù)值來實現(xiàn)不同的控制規(guī)律。這樣不可避免地會造成許多資源上的浪費，而且設計周期比較長。而數(shù)字控制器只需通過軟件編程就可以修改控制規(guī)律，還可以及時通過仿真驗證，使得對設計工作變得相當靈活。當電源具體的性能要求改變時，為了修改控制規(guī)律，對于模擬控制器來說，需要重新設計電路、刻板或布線;而對于數(shù)字控制器，則可通過編程來增加、刪除和修改任何控制參數(shù)，從而極大地縮短了設計周期。

數(shù)字控制器易于實現(xiàn)與其它數(shù)字設備之間的接口，從而具有較好的兼容性。在諸多產(chǎn)品中，便 攜數(shù)字設備(如PDA、無線電話、筆記本電腦、數(shù)碼相機等)對開關電源的要求日益提高，如多級輸出、節(jié)約功耗、運行模式、電磁兼容等問題。

鑒于數(shù)字控制器的上述卓越優(yōu)點，數(shù)字控制器在電力電子應用領域中大有取代模擬控制器的趨勢。用于開關電源的數(shù)字控制器已經(jīng)在電力電子領域中引起了越來越多的關注。

參考文獻

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[2] 張占松，蔡宣三. 開關電源的原理與設計(修訂版)[M].電子工業(yè)出版社. 2005.

[3] 曲學基，王增福，曲敬鎧. 新編高頻開關穩(wěn)壓電源[M].電子工業(yè)出版社.2005.

[4] 路秋生. 功率因數(shù)校正技術與應用[M]. 機械工業(yè)出版社.2006.

[5] 岳云濤，李英姿，韓永萍. 一種新型高功率因數(shù)軟開關電源[J].電力自動化設備. 2008，28(5)：87-90.

[6] 王學芝，王永初. 新型功率因數(shù)校正電路的開關電源設計方案[J].華僑大學學報.2007，28(1):15-18.

[7] 倪志紅.開關電源功率因數(shù)校正技術的研究[D]:[碩士學位論文].南京理工大學.2003.

作者簡介

姚志樹(1978-)，男，江蘇鹽城市人，碩士，講師，研究方向為電力電子技術、電源技術。