功率因数校正电路工作原理

文章摘要：工作在CCM的PFC变换器，输出功率达500W以上乃至3KW；在DCM工作的PFC变换器，故在此作重点介绍。工作于DCM的有源PFC升压变换器控制IC有几十种型号，如ST公司生产的L6560、西门子公司生产的TDA4817/TDA4862、摩托罗拉公司生产的MC33261/MC43261、三星公司生产的KA7524/KA7526、哇通公司生产的SG3561等。其中，L6560、KA7524/KA7526和MC33261等，在国内直接可以采购，应用比较广泛。这些器件全部采用8引脚DIP或SO封装，芯片电路组成大同小异，其基本组成包括以电压误差放大器为中心的电压控制环路和以一象限乘法器、电流感测比

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　　工作在CCM的PFC变换器，输出功率达500W以上乃至3KW；在DCM工作的PFC变换器，故在此作重点介绍。
　　工作于DCM的有源PFC升压变换器控制IC有几十种型号，如ST公司生产的L6560、西门子公司生产的TDA4817/TDA4862、摩托罗拉公司生产的MC33261/MC43261、三星公司生产的KA7524/KA7526、哇通公司生产的SG3561等。其中，L6560、KA7524/KA7526和MC33261等，在国内直接可以采购，应用比较广泛。这些器件全部采用8引脚DIP或SO封装，芯片电路组成大同小异，其基本组成包括以电压误差放大器为中心的电压控制环路和以一象限乘法器、电流感测比较器及零电流检测器等构成的电流控制环路。图4示出了DCM升压型PFC控制IC的内部结构及由其组成的预变换器电路。

这种PFC升压变换器的工作原理如下：当接通AC线路后，由于电容C1容值仅为0.1~0.22?F，只用作高频旁路，故桥式整流输出为100Hz的正弦半波脉动电压（VR），亦即AC半正矢，通过电阻R3的电流对电容C3充电，当C3上的电压升至IC的启动门限（大多为11V左右）以上时，接通IC电源电压（Vcc），IC开始工作，并驱动PFC开关VT1动作，一旦PFC升压变换器进入正常运行状态，升压电感器T1的次级绕组则感生高频脉冲信号，经二极管VD5整流和电容C3滤波，为IC提供工作电压和电流，桥式整流后AC输入电压经R1和R2组成的电阻分压器分压，作为乘法器的一个输入（CM1）。升压变换器的DC输出电压，在电阻分压器下部电阻R9上的分压信号，反馈到IC误差放大器的反相输入端，并与误差放大器同相输入端上的参考电压VREF比较，产生一个DC误差电压VEAO，也输入到乘法器。乘法器的输出VMO是两个输入（VM1和VM2）的结果，作为IC电流感测比较器的参考。当IC驱动VT1导通时，升压二极管VD6截止，流过L的电流从0沿斜坡线性增加，并全部通过VT1和地回复。一旦IL在开关周期内达到峰值，VT1上的驱动PWM脉冲变为零电平，VT1截止，电感器L中的储能使VD6导通，通过L的电流IL沿向下的斜坡下降。一旦IL降为零，L的次级绕组产生一个突变电势被IC的零电流检测器接收，IC产生一个新的输出脉冲驱动VT1再次导通，开始下一个开关周期。IC的电流检测逻辑电路同时受零电流检测器和电流传感比较器的控制，可确保在同一时刻IC只输出一种状态的驱动信号。VT1源极串联电阻R7用作感测流过VT1的电流。只要R7上的感测电压超过电流传感比较器的触发门限电平，PFC开关VT1则截止。当AC线路电压从零按正弦规律变化时，乘法器输出VMO为比较器建立的门限强迫通过L的峰值电流跟踪AC电压的轨迹。在各各开关周期内电感峰值电流形成的包迹波，正比于AC输入电压的瞬时变化，呈正弦波波形。在两个开关周期之间，有一个电流为零的点，但没有死区时间，从而使AC电流通过桥式整流二极管连续流动（二极管的导通角几乎等于180?），整流平均电流即为AC输入电流（为电感峰值电流的1/2），呈正弦波波形，且与AC线路电压趋于同相位，因而线路功率因数几乎为1（通常为0.98~0.995），电流斜波含量符合IEC1000-3-2标准的规定要求。与此同时，由于PFC电压控制环路的作用，PFC变换器输出经提升的稳压DC电压，纹波很大，频率为100HZ，同样为正弦波。其控制原理与开关电源一样，其DC输出电压在90~270V的AC输入电压范围内保持不变。

 在DCM下工作的PFC升压变换器相关电压和电流波形如图5所示，图6为AC线路输入电压和电流波形。
   事实上，工作于DCM的PFC升压变换器开关频率不是固定的。在AC输入电压从0增大的峰值时，开关频率逐渐降低，在峰值AC电压附近，开关周期最大，二频率最低。
　　在连续模式（CCM）下工作的PFC升压变换器采用固定频率高频PWM电流平均技术。这类变换器的开关占空比是变化的，但开关周期相同。通过升压电感器和PFC开关MOSFET的电流在AC线路电压的半周期之内（即0＜t＜T/2），任何时刻都不为0，而是时刻跟踪AC电压的变化轨迹，其平均电流（IAC）呈正弦波形，且于AC电压同相位，如图7所示。工作在CCM下的PFC变换器与 DCM的变换器相比，有更低的波形畸变。THD降至5％左右。CCM功率因数控制器IC的代表性产品有UC1854、ML4821、LT1248、LT1249、L4981和NCP1650等这些IC大多采用16引脚封装，其共同特征之一是内置振荡器。像开关电源用PWM/PFC组合IC（如ML4803和CM6800等）中的PFC电路，全部属于CCM平均电流这一类型。

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