NCP1650型功率因數校正器的工作原理

摘要：利用有源功率因數校正技術(shù)可以大大提高電能利用率，降低線(xiàn)路損耗，減小電網(wǎng)的諧波污染，提高電網(wǎng)質(zhì)量。介紹了美國Onsemi公司最新推出的NCP1650型功率因數校正集成電路的性能特點(diǎn)及工作原理。

關(guān)鍵詞：有源功率因數校正器；平均電流式；功率乘法器；基準乘法器

NCP1650是美國Onsemi公司于2002年3月新推出的功率因數校正集成電路專(zhuān)利產(chǎn)品，可對85～265V、50Hz或60Hz交流電源系統的功率因數進(jìn)行自動(dòng)校正，大大提高電能利用率，達到節能目的。NCP1650采用固定頻率、平均電流式脈寬調制器，可廣泛用于服務(wù)器等設備的交流電源系統中，并可作為分布式電源系統的前端校正器，構成1kW以下的功率因數校正器，功率因數可達0.95～0.99。

1功率因數校正器概述

目前，在開(kāi)關(guān)電源、電子鎮流器、交流變頻調速器等裝置中的AC／DC變換器，都是由橋式整流器與電容濾波器構成的。由于大容量濾波電容器的存在，使得整流二極管的導通角變得很窄，僅在交流電壓的峰值附近才能導通，致使交流電流產(chǎn)生嚴重的失真，變成了尖峰脈沖。這種電流波形中包含了大量的諧波分量，經(jīng)濾波后輸出的有功功率就會(huì )顯著(zhù)降低。因此，普通AC／DC變換器的功率因數很低，只能達到0.6左右。交流供電設備的功率因數是在電流波形無(wú)失真情況下定義的。造成功率因數降低的原因有兩個(gè)：一是電流波形的相位漂移，二是電流波形存在失真。相位漂移通常是由電源的負載性質(zhì)（感性或容性）而引起的，在這種情況下對功率因數的分析相對簡(jiǎn)單，一般可用公式cosα=P／UI來(lái)計算。但是當電流波形存在失真時(shí)，分析起來(lái)就比較復雜，通常需要用計算機來(lái)仿真或者用交流分析儀來(lái)測量功率因數（λ）值。

對功率因數校正前、后的波形比較如圖1所示。圖1（a）為未進(jìn)行功率因數校正的普通隔離式電源變換器的電壓與電流波形圖，其電流波形已嚴重失真。圖1（b）為進(jìn)行功率因數校正后的u、i波形圖，其電流波形無(wú)失真且與電壓波形的相位保持一致。導致電流波形失真的主要原因是交流電經(jīng)過(guò)整流后的電流不能跟隨電壓波形的變化。而功率因數校正器的作用就是強迫線(xiàn)電流能跟隨線(xiàn)電壓波形的變化，它不僅能提高交流電源變換器的功率因數，還可以抑制諧波，減小峰值電流和有效值電流，消除基波的相位漂移。

傳統的功率因數概念是基于線(xiàn)性負載條件得到的，它要求交流設備中的電壓與電流為相同頻率的正弦波，因此可通過(guò)在感性負載兩端并聯(lián)移相電容來(lái)校準功率因數，這種方法被稱(chēng)作無(wú)源功率因數校正。但無(wú)源功率因數校正器存在著(zhù)局限性，它不僅體積龐大、笨重、價(jià)格高，而且只對基波的相移加以補償。它僅對某些特定的諧波具有抑制作用。

（a）校正前

（b）校正后

圖1功率因數校正前、后的波形比較

目前在電力電子設備及開(kāi)關(guān)電源中，存在著(zhù)大量的非線(xiàn)性負載（AC／DC變換器中的橋式整流濾波器即是最典型的例子），這時(shí)傳統的無(wú)源功率因數校正已難于勝任。為了適應電力電子技術(shù)的發(fā)展，自20世紀90年代以來(lái)，有源功率因數校正APFC（ActivePowerFactorCorrection）技術(shù)得到迅速推廣。它是在橋式整流器與輸出電容濾波器之間加入一個(gè)功率變換電路，將輸入電流校正成與輸入電壓相位相同且不失真的正弦波，使功率因數接近于1。交流輸入電壓經(jīng)橋式整流后，得到全波整流電壓uL（亦稱(chēng)線(xiàn)路電壓），再經(jīng)DC／DC變換后，通過(guò)控制器使線(xiàn)路電流的平均值（Iavg）能自動(dòng)跟隨全波整流電壓基準（uREF）的變化，并獲得穩定的直流高壓輸出（通常UO=＋400V），給負載提供直流電壓源。

有源功率因數校正器主要包括乘法器和電流控制器。早期的有源功率因數校正器是用分立元件構成的。近年來(lái)各種集成功率因數校正器已大量投放市場(chǎng)，其控制功能和技術(shù)指標也在不斷提高。由美國Onsemi公司最新推出的NCP1650型功率因數校正器集成電路，是一種性能優(yōu)良的APFC芯片。

2NCP1650型功率因數校正器的性能特點(diǎn)1）它采用基于固定頻率的平均電流式脈寬調制器，能精確地設定輸入功率和輸出電流的極限值，適合構成從100W至1kW的功率因數補償器。其交流輸入電壓范圍是85～265V，適用于50Hz或60Hz電網(wǎng)頻率。PFC的直流輸出電壓被設定為400V（額定值），能滿(mǎn)足UO>umax的條件。

2）NCP1650被設計成“真功率（TruePower）”限制電路。所謂真功率，是指電源系統在交流電的一個(gè)周期內所消耗的平均功率。NCP1650即使工作在恒功率模式，也能保持很高的功率因數。

3）內部使用了功率乘法器和基準乘法器，與傳統的線(xiàn)性模擬乘法器相比，能顯著(zhù)提高運算精度。利用鋸齒波補償電路和平均電流補償電路，可對線(xiàn)路及負載進(jìn)行快速補償。

4）集成度高。片內有3個(gè)誤差放大器（直流誤差放大器、交流誤差放大器、功率誤差放大器），1個(gè)電流檢測放大器，3個(gè)比較器（PWM比較器、掉電比較器、過(guò)沖比較器），2個(gè)緩沖器（基準電壓緩沖放大器、交流基準緩沖器），以及2個(gè)乘法器。3個(gè)誤差放大器均屬于跨導式放大器，其增益就等于跨導（gm）與阻抗負載（RL）的乘積。

5）具有完善的保護功能，包括電源欠壓保護、掉電保護、輸出電壓過(guò)沖保護、最大輸入功率限制、線(xiàn)電流及瞬態(tài)電流限制、軟啟動(dòng)電路。一旦發(fā)生過(guò)壓過(guò)載故障，能確保電源和設備不受損壞。

3NCP1650型功率因數校正器的工作原理

NCP1650型功率因數校正器采用SO－16封裝，內部框圖如圖2所示。各引腳的功能如下：

UCC、GND分別為工作電源端和公共地，UCC的極限值為18V，典型值為14V，當UCC≤10.5V時(shí)進(jìn)行欠壓保護；

UREF為6.5V直流基準電壓引出端，為使基準電壓穩定，該端對地需接一只0.1μF的消噪電容；

ACCOMP為交流補償端，外接阻容元件對交流誤差放大器進(jìn)行頻率補償； ACREF為交流誤差放大器的參考電壓引出端，外接一只濾波電容，交流誤差放大器屬于跨導放大器，接高阻抗負載；

ACIN為交流輸入端，整流后的全波整流電壓經(jīng)電阻分壓器接至此端；

FB／SD（Feedback／Shutdown）為反饋／掉電端，直流輸出電壓通過(guò)電阻分壓器為該端提供4.0V（典型值）的反饋電壓，UFB還被引到掉電比較器的反相輸入端，當UFB≤0.75V時(shí)，就進(jìn)行掉電保護，禁止芯片輸出；

LOOPCOMP為電壓控制環(huán)的補償端，外接RC串聯(lián)網(wǎng)絡(luò )，對直流誤差放大器進(jìn)行頻率補償；

PCOMP為功率控制環(huán)的補償端，外接RC并聯(lián)網(wǎng)絡(luò )，對功率誤差放大器進(jìn)行頻率補償；

NCP1650型功率因數校正器的工作原理

圖2NCP1650的內部框圖

PIM為最大輸入功率設定端，利用外部電阻可設定最大輸入功率值；

Iavg為最大平均電流設定端，外接一只低溫度系數的金屬膜電阻，可設定最大平均值電流和電流檢測放大器的增益；

Iavg?fltr為外接濾波電容，濾除瞬態(tài)電流波形中的高頻成分，獲得線(xiàn)電流的平均值；

IS－為負極性的電流檢測輸入端，外接線(xiàn)電流檢測電阻RS；

RAMPCOMP為鋸齒波補償端，亦稱(chēng)斜坡（RAMP）補償端；

CT為外接定時(shí)電容端；

OUT為輸出端，可直接驅動(dòng)MOSFET或者IGBT，亦可通過(guò)外部驅動(dòng)管來(lái)驅動(dòng)更大功率的MOSFET。

芯片內部主要包括10部分：①帶隙基準電壓源及緩沖放大器；②振蕩器及鋸齒波補償電路；③基準乘法器與功率乘法器；④誤差放大器；⑤電壓／功率“或”網(wǎng)絡(luò )；⑥平均電流補償電路；⑦電流檢測放大器；⑧脈寬調制器及邏輯電路；⑨驅動(dòng)器；⑩保護電路（含輸出電壓過(guò)沖保護、欠壓保護、掉電保護、線(xiàn)電流及瞬態(tài)電流限制電路、最大輸入功率限制電路和軟啟動(dòng)電路）。下面介紹主要單元電路的工作原理。

3?1PFC控制環(huán)基本電路的工作原理

PFC控制環(huán)的基本電路如圖3所示。uL為橋式整流后的電壓，稱(chēng)之為線(xiàn)電壓。因輸入濾波電容C1的容量很小，故uL為全波整流電壓。uL經(jīng)分壓后得到u1，加至ACIN端。該控制環(huán)路有3種輸入信號，分別為從ACIN端輸入的全波整流電壓u1，從FB／SD端輸入的直流反饋電壓UFB，從IS－端輸入的線(xiàn)電流信號iIN。PFC控制環(huán)的基本原理是由交流誤差放大器根據交流輸入電壓與交流輸入電流的參數來(lái)控制電源開(kāi)

圖3PFC控制環(huán)的基本電路

圖4PFC電路中的工作波形

關(guān)，將輸入電流變成高質(zhì)量的正弦波，從而使功率因數接近于1。

基準乘法器的一個(gè)輸入端接u1，另一端接直流誤差電壓Ur，再利用Ur去調節u1，使基準乘法器輸出的交流基準電壓（uREF）為不失真的全波整流波形。交流誤差放大器的同相輸入端接uREF，電流檢測放大器輸出的高頻電流信號i2則送至反相輸入端，有關(guān)系式i2=kiIN。與此同時(shí)，u1還通過(guò)平均電流補償電路輸出電壓u2，也加到交流誤差放大器的反相輸入端。該放大器輸出的交流誤差電壓為ur。uREF與u2、iIN的關(guān)系式為

uREF=u2＋kiIN（1）

式中：u2=0.75u1，比例系數k=8.0。

PFC電路中的工作波形如圖4所示。圖中的4.0V為內部基準電壓。ur′為疊加上高頻電流i1以后的交流誤差電壓，該電壓就作為PWM比較器的輸入信號。從圖上可以看出kiIN在每個(gè)時(shí)鐘周期內的變化情況。在ur′的波形中，電流信號i1已完全能夠跟隨ur′的變化，從而實(shí)現了功率因數校正的目的。

PWM比較器將ur′與4.0V基準電壓進(jìn)行比較，再利用二者的差值去控制MOSFET的關(guān)斷時(shí)刻。當時(shí)鐘信號來(lái)到時(shí)MOSFET開(kāi)通，直到ur′的瞬時(shí)值達到4.0V時(shí)才關(guān)斷。

3.2振蕩器及鋸齒波補償電路

該振蕩器能產(chǎn)生兩路信號，一路為鋸齒波信號，作為開(kāi)關(guān)頻率信號；另一路為時(shí)鐘脈沖，作為RS觸發(fā)器的復位信號。鋸齒波頻率和時(shí)鐘頻率的典型值均為100kHz。振蕩頻率與定時(shí)電容的定性關(guān)系為

f=47000／CT（2）

式中：CT的單位是pF，f的單位是kHz。通常取CT=470pF，使f=100kHz。

3.3乘法器

與傳統的線(xiàn)性模擬乘法器不同，NCP1650使用的是基準乘法器和功率乘法器，這兩種新型乘法器能大大提高運算精度，使輸出信號量的誤差極小。乘法器的

NCP1650型功率因數校正器的工作原理

圖5乘法器的簡(jiǎn)化電路

圖6NCP1650型功率因數校正器的典型應用電路

簡(jiǎn)化電路如圖5所示。每個(gè)乘法器都有兩個(gè)輸入端、一個(gè)輸出端。其中，A輸入端接一個(gè)電壓－電流（U／I）轉換器，可將UA信號轉換成電流信號IA。P輸入端接PWM比較器的同相輸入端。乘法器的增益則由U／I轉換器的電壓／電流比率、電阻R、鋸齒波的峰值電壓與谷值電壓所決定。當鋸齒波達到峰值時(shí)，在R上就獲得輸出電壓，該電壓與UA、UP的乘積成正比。RC濾波器的極點(diǎn)頻率應高于2倍的電網(wǎng)頻率，對50Hz交流電而言，就應高于100Hz，但不得超過(guò)100kHz。

功率乘法器中設有U／I轉換器。電流檢測放大器的輸出電流直接加到A輸入端。功率乘法器的增益受外部電阻R3、R8的控制。如圖6所示，其中，R3為最大輸入功率（PIM）的設定電阻。乘法器的輸出端還接有濾波電容C5。R8為最大平均值電流設定端（即Iavg端）的外接電阻。利用下式可以計算乘法器的增益AV：AV=(3)

式中：UCS——電流檢測放大器的輸入電壓有效值；

u1——加至第5腳的全波整流電壓有效值；

Uramp——鋸齒波電壓的峰－峰值（約為4V）。

顯見(jiàn)，當R3和R8確定之后，功率乘法器的輸出電壓就與（UCS·u1）的乘積成正比，這就是功率乘法器的工作原理。

3.4脈寬調制及輸出級

它包括PWM比較器、RS觸發(fā)器、或門(mén)H和驅動(dòng)器。RS觸發(fā)器有兩個(gè)置位端（S）、一個(gè)復位端（R）。當時(shí)鐘信號的下降沿來(lái)到時(shí)，MOSFET開(kāi)始導通，此時(shí)交流誤差放大器的輸出電壓、鋸齒波補償電壓和外部電感器上的瞬態(tài)感應電流，疊加成一個(gè)復雜的波形UΣ，再與PWM比較器的4.0V參考電壓進(jìn)行比較。當UΣ>4.0V時(shí)，PWM比較器就輸出高電平，將MOSFET關(guān)斷，直到下一個(gè)時(shí)鐘脈沖來(lái)到時(shí)為止。但欠壓保護信號和過(guò)沖保護信號具有優(yōu)先權，它們可強迫輸出級關(guān)斷。驅動(dòng)器由互補型MOS場(chǎng)效應管所組成。

3?5保護電路

包括輸出電壓過(guò)沖保護電路、欠壓保護電路、掉電保護電路、最大輸入功率限制電路、瞬態(tài)電流限制電路、線(xiàn)電流限制電路、軟啟動(dòng)電路。

參考文獻

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