開(kāi)關(guān)電源功率因素校正（PFC）及其工作原理

4.2單級有源功率因數校正

單級PFC技術(shù)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(gè)轉換器共用一套開(kāi)關(guān)管和控制電路(電路如圖3所示)，因此單級PFC技術(shù)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(diǎn)：PFC級和DC/DC級共用1個(gè)開(kāi)關(guān)管，共用1套控制電路，這就使得電路設計大為簡(jiǎn)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(shí)現的是一次性變換，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(lái)越得到廣泛的研究和應用。

但是，與傳統的兩級式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(gè)問(wèn)題在開(kāi)關(guān)頻率較高時(shí)顯得尤為突出。而且，由于開(kāi)關(guān)工作頻率不斷提高所帶來(lái)的電磁干擾問(wèn)題也日益嚴重，顯著(zhù)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(guò)高的情況，而且儲能電容電壓隨著(zhù)輸入電壓及負載的變化而升高，這將會(huì )導致電路的穩態(tài)特性受到一定的影響，同時(shí)某些元器件的體積成本會(huì )有所提高，這都是期待解決的問(wèn)題。通過(guò)比較可知，在輸出功率相同的情況下，單級功率因數校正電路在功率因數校正能力和電源的轉換效率等方面，相對于兩級功率因數校正電路而言，相對要差一些。近些年，專(zhuān)家學(xué)者先后提出了許多零電壓及零電流軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，特別是將軟開(kāi)關(guān)技術(shù)與單級隔離型PFC技術(shù)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在單級功率因數校正研究的熱點(diǎn)。

5 有源功率因數校正的控制方式

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

DCM控制又稱(chēng)電壓跟蹤方法(Voltage Follower)，它是PFC中簡(jiǎn)單而實(shí)用的一種控制方式。這類(lèi)轉換器工作在不連續導電模式，開(kāi)關(guān)管由輸出電壓誤差信號控制，開(kāi)關(guān)周期為常數。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(diǎn)是：(1)電路簡(jiǎn)單，不需要乘法器;(2)功率管實(shí)現零電流開(kāi)通(ZCS)且不承受二極管的反向恢復電流;(3)輸入電流自動(dòng)跟蹤電壓且保持較小的電流畸變率。

但是DCM方式存在著(zhù)以下兩個(gè)主要問(wèn)題：(1)由于電感電流不連續，造成電流紋波較大，對濾波電路要求高;(2)開(kāi)關(guān)管電流應力高，在同等容量情況下，DCM中開(kāi)關(guān)器件通過(guò)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(chǎng)合。

中大功率電路通常采用CCM工作方式，而CCM根據是否直接選取瞬態(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，具有系統動(dòng)態(tài)響應快、限流容易、電流控制精度高等優(yōu)點(diǎn)。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(xiàn)性峰值電流控制(LPCM)，非線(xiàn)性載波控制(NLC)等方式。CCM控制方式的優(yōu)點(diǎn)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(chǎng)合。

APFC的控制電路方式很多，為使控制部分簡(jiǎn)單化、小型化，己有IC廠(chǎng)家生產(chǎn)出各種不同性能和用途的專(zhuān)用集成電路，一般控制方式有兩類(lèi)：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：零電流連續控制模式和電流斷續控制模式。

6 功率因數校正技術(shù)的發(fā)展方向

開(kāi)關(guān)電源的模擬控制技術(shù)發(fā)展了很多年，各方面都比較成熟，但卻無(wú)法克服其固有的缺點(diǎn);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(shí)現。

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

數字控制器較傳統的模擬控制器，在設計上具有更高的靈活性。傳統的模擬控制器是通過(guò)調節和改變具體元件的參數值來(lái)實(shí)現不同的控制規律。這樣不可避免地會(huì )造成許多資源上的浪費，而且設計周期比較長(cháng)。而數字控制器只需通過(guò)軟件編程就可以修改控制規律，還可以及時(shí)通過(guò)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(shí)，為了修改控制規律，對于模擬控制器來(lái)說(shuō)，需要重新設計電路、刻板或布線(xiàn);而對于數字控制器，則可通過(guò)編程來(lái)增加、刪除和修改任何控制參數，從而極大地縮短了設計周期。

數字控制器易于實(shí)現與其它數字設備之間的接口，從而具有較好的兼容性。在諸多產(chǎn)品中，便 攜數字設備(如PDA、無(wú)線(xiàn)電話(huà)、筆記本電腦、數碼相機等)對開(kāi)關(guān)電源的要求日益提高，如多級輸出、節約功耗、運行模式、電磁兼容等問(wèn)題。

鑒于數字控制器的上述卓越優(yōu)點(diǎn)，數字控制器在電力電子應用領(lǐng)域中大有取代模擬控制器的趨勢。用于開(kāi)關(guān)電源的數字控制器已經(jīng)在電力電子領(lǐng)域中引起了越來(lái)越多的關(guān)注。

參考文獻

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[7] 倪志紅.開(kāi)關(guān)電源功率因數校正技術(shù)的研究[D]:[碩士學(xué)位論文].南京理工大學(xué).2003.

作者簡(jiǎn)介

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