PFC工作原理和控制方法

PFC工作原理和控制方法
2010-12-15 14:46 分类：电源知识
PFC不是一个新概念了，在UPS电源要运用地较多，而PC电源上很少见到PFC 电路。

PFC在PC电源上的兴起，主要是源于CCC认证,所有需要通过CCC认证的电脑电源，都必须增加PFC电路。

PFC就是“功功率因数校正”的意思，主要用来表征电子产品对电能的利用效率。

功率因数越高，说明电能的利用效率越高。

PC电源采用传统的桥式整流、电容滤波电路会使AC输入电流产生严重的波形畸变，向电网注入大量的高次谐波，因此网侧的功率因数不高，仅有0.6左右，并对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰。

早在80年代初，人们已对这类装置产生的高次谐波电流所造成的危害引起了关注。

1982年，国际电工委员会制订了IEC55－2限制高次谐波的规范（后来的修订规范是IEC1000－3－2），促使众多的电力电子技术工作者开始了对谐波滤波和功率因数校正（PFC）技术的研究。

电子电源产品中引入PFC电路，就可以大大提高对电能的利用效率。

PFC有两种，一种是无源PFC（也称被动式PFC），一种是有源PFC（也称主动式PFC）。

无源PFC一般采用电感补偿方法使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数，但无源PFC的功率因数不是很高，只能达到
0.7~0.8；有源PFC由电感电容及电子元器件组成，体积小，可以达到很高的功率因数，但成本要高出无源PFC一些。

有源PFC电路中往往采用高集成度的IC，采用有源PFC电路的PC电源，至少具有以下特点：
1）输入电压可以从90V到270V；
2）高于0.99的线路功率因数，并具有低损耗和高可靠等优点；
3） IC的PFC还可用作辅助电源，因此在使用有源PFC电路中，往往不需要待机变压器；
4）输出不随输入电压波动变化，因此可获得高度稳定的输出电压；
5）有源PFC输出DC电压纹波很小，且呈100Hz/120Hz（工频2倍）的正弦波，因此采用有源PFC的电源不需要采用很大容量的滤波电容。

原创】跟我学系列之一，CCM模式APFC 电路设计 [原] [精]
传统的工频交流整流电路，因为整流桥后面有一个大的电解电容来稳定输出电压，所以使电网的电流波形变成了尖脉冲，滤波电容越大，输入电流的脉宽就越窄，峰值越高，
有效值就越大。

这种畸变的电流波形会导致一些问题，比如无功功率增加、电网谐波超标造成干扰等。

功率因数校正电路的目的，就是使电源的输入电流波形按照输入电压的变化成比例的变化。

使电源的工作特性就像一个电阻一样，而不在是容性的。

目前在功率因数校正电路中，最常用的就是由BOOST 变换器构成的主电路。

而按照输入电流的连 续与否，又分为DCM 、CRM 、CCM 模式。

DCM 模式，因为控制简单，但输入电流不连续，峰值较高，所以常用在小功率场合。

CCM 模式则相反，输入电流 连续，电流纹波小，适合于大功率场合应用。

介于DCM 和CCM 之间的CRM 称为电流临界连续模式，这种模式通常采用变频率的控制方式，采集升压电感的电流 过零信号，当电流过零了，才开通MOS 管。

这种类型的控制方式，在小功率PFC 电路中非常常见。

今天我们主要谈适合大功率场合的CCM 模式的功率因数校正电路的设计。

要设计一个功率因数校正电路，首先我们要给出我们的一些设计指标，我们按照一个输出500W 左右的APFC 电路来举例：
已知参数：
交流电源的频率fac ——50Hz
最低交流电压有效值Umin ——85Vac
最高交流电压有效值Umax ——265Vac
输出直流电压Udc ——400VDC
输出功率Pout ——600W
最差状况下满载效率η——92%
开关频率fs ——65KHz
输出电压纹波峰峰值Voutp-p ——10V
那么我们可以进行如下计算：
1，输出电流Iout=Pout/Udc=600/400=1.5A
2，最大输入功率Pin=Pout/η=600/0.92=652W
3，输入电流最大有效值Iinrmsmax=Pin/Umin=652/85=7.67A
4，那么输入电流有效值峰值为Iinrmsmax*1.414=10.85A
5，高频纹波电流取输入电流峰值的20%，那么Ihf=0.2*Iinrmsmax=0.2*10.85=2.17A
6，那么输入电感电流最大峰值为：
ILpk=Iinrmsmax+0.5*Ihf=10.85+0.5*2.17=11.94A
7，那么升压电感最小值为
Lmin=(0.25*Uout)/(Ihf*fs)=(0.25*400)/(2.17*65KHz)=709uH
8，输出电容最小值为：Cmin=Iout/(3.14*2*fac*Voutp-
p)=1.5/(3.14*2*50*10)=477.7uF，实际电路中还要考虑hold up时间，所以电容容量可能需要重新按照hold up的时间要求来重新计算。

实际的电路中，我用了1320uF，4只330uF的并联。

有了电感量、有了输入电流，我们就可以设计升压电感了！
PFC电路的升压电感的磁芯，我们可以有多种选择：磁粉芯、铁氧体磁芯、开了气隙的非晶/微晶合金磁芯。

这几种磁芯是各有优缺点，听我一一道来。

磁粉芯的优点是，μ值低，所以不用额外再开气隙了。

气隙平均，漏磁小，电磁干扰比较低，不易饱和。

缺点是，基本是环形的，绕线比较困难，不过目前市场上也出现了EE型的。

另外，μ值随磁场强度的增加会下降。

设计的时候需要反复迭代计算。

铁氧体磁芯的优点是损耗小，规格多，价格便宜，开了气隙后，磁导率稳定。

缺点是需要开气隙，另外饱和点比较低，耐直流偏磁能力比较差。

非晶/微晶合金的优点是饱和点高，开气隙后，磁导率稳定。

同样缺点是需要开气隙。

另外，大都是环状的。

在此说明一下，环形铁芯虽然绕线比较困难，没有E型什么带骨架的那种容易绕。

但是环形铁芯绕出来的电感分布电容小，对将来处理电磁兼容带来了很多便利之处。

E型的骨架绕线一般都是绕好几层，那么层间电容比较大，对EMC产生不利影响。

另外，开气隙的铁芯，在气隙处，铜损会变大。

因为气隙处的漏磁在铜线上产生涡流损耗。

下面我们就选择一种环形磁粉芯来作为我们PFC电感的磁芯。

我们上面已经计算出了几个参数：
输入电流最大有效值Iinrmsmax=Pin/Umin=652/85=7.67A
输入电感电流最大峰值为：ILpk=Iinrmsmax+0.5*Ihf=10.85+0.5*2.17=11.94A
升压电感最小值为Lmin=(0.25*Uout)/(Ihf*fs)=(0.25*400)/(2.17*65KHz)=709uH
下面继续计算：
线圈选择电流密度为5A/平方毫米，那么可以计算出我们需要用的漆包线的线径为：
2×SQRT(7.67/(5×3.14))=1.4毫米
因为我们这是按照最极限的输入电压也就是说按照最大的输入电流时来计算的。

所以电流密度取的裕量比较大。

实际按照不同的成本要求，也可以把电流密度取大一些，比如此处取电流密度为8A/平方毫米的话，那么可以得到线径为：
2×SQRT(7.67/(8×3.14))=1.1毫米
这也是可以接受的。

因为是CCM模式的工作方式，基波是低频的半正弦波，在此处我们就不考虑趋肤效应了。

选用单根的漆包线就可以了。

常用的几个公式：
LI=NΔBAe
L：电感量，I：电流，N：匝数，ΔB：磁感应强度变化量，Ae：磁芯截面积
L=N×N×Al
Al：电感系数
H=0.4×3.14×N×I/Le
H：磁场强度，Le：磁路长度
计算磁芯大小的方法有几种，最常用的就是AP法，但实际上，因为磁粉芯的磁导率随磁场强度变化较大，计算经常需要迭代重复。

另外，因为磁环的规格相对比较少。

我们就不用AP法计算了。

而是直接拿磁芯参数过来计算，几次就可以得到需要的磁芯了。

经验越丰富，计算就越快了。

适合用来做PFC电感的磁粉芯主要有三类：铁镍钼(MPP)、铁镍50(高磁通)、铁硅铝(FeSiAl)。

其中，铁镍钼粉芯的饱和点大概在B=0.6附近。

而后两者都可以达到1以上。

此处，我们选用某国产的铁硅铝粉芯，下面是该粉芯的一些特性曲线图：
从图上可以看见，当磁场强度上升的时候，磁导率在下降。

那么电感量也就会下降。

所以，我们希望电感量在承受直流偏磁时不要跌落的太多，那么设计所选择的磁场强度就不能太高。

我们选用初始磁导率μ0=60的铁硅铝粉芯，那么可以从图中看到，当磁场强度为100Oe 时，磁导率还有原来的42%，而当磁场强度为100Oe时，磁感应强度为0.5T，远未到饱和点。

我们就把设计最大磁场强度定为 100Oe。

那么根据
L=N×N×Al
H=0.4×3.14×N×I/Le
我们得到的限制条件是：0.4×3.14×SQRT(L/Al)×I/Le<100
由于100Oe时，磁导率只有初始值的42%，所以我们要对上式中的Al乘上这个系数。

那么带入相关的参数L=709uH，I=11.94A，我们有：
0.4×3.14×SQRT(709E-6/(0.42×Al))×11.94/Le<100，简化后得到：
0.616/(Le×SQRT(Al))<100
注意：上式中，Le的单位是：cm，Al的单位是：H/N^2
现在，我们可以把磁芯参数带入计算了。

选择一个：
A60-572A，Le=14.3cm，Al=140nH/(N×N)，Ae=2.889平方厘米，带入后得到：115<100
显然磁芯不合适，再选择一个更大的：
A60-640，Le=16.4cm，Al=144nH/(N×N)，Ae=3.53平方厘米，计算得到：99<100，不等式满足。

磁芯选定。

然后，根据99=0.4×3.14×N×I/Le计算得到N=108圈
有时，选择不到合适的单个磁芯，可以选择两个磁芯叠加起来使用。