功率因数校正电路 (PFC)

一、功率因数校正的目的

功率因数校正电路对离线电源的输入电流波形进行整形，以使从电源吸取的有功功率最大化。在理想情况下，电器应该表现为一个纯电阻的负载，此时电器吸收的反射功率为零。在这种情况下，本质上不存在输入电流谐波。电流是输入电压（通常是一个正弦波）的完美复制品，而且与其同相。在这种情况下，对于进行所需工作所要求的有功功率而言，从电网电源吸收的电流最小，而且还减小了与配电发电以及相关过程中的基本设备有关的损耗和成本。由于没有谐波，也减小了与使用相同电源供电的其他器件之间的干扰。

因为输入电路的原因， 开关模式电源对于电网电源表现为非线性阻抗。 输入电路通常由半波或全波整流器及其后面的储能电容器组成，该电容器能够将电压维持在接近于输入正弦波峰值电压值处，直至下一个峰值到来时对电容再进行充电。在这种情况下，只在输入波形的各峰值处从输入端吸收电流，而且电流脉冲必须包含足够的能量，以便在下一个峰值到来之前能维持负载电压。这一过程通过在短时间内将大量电荷注入电容，然后由电容器缓慢地向负载放电来实现，之后再重复这一周期。电流脉冲为周期的10%到20%是十分常见的， 这意味着脉冲电流应为平均电流的5到10倍。图1描述了这种情况。

1.PFC的规范要求

当今众多电源采用PFC的另一个原因，是为了符合规范要求。现在，欧洲的电气设备必须符合欧洲规范EN61000-3-2。这一要求适用于大多数输入功率为75 W或以上的电器，而且它规定了包括高达39次谐波在内的工频谐波的最大幅度。虽然美国还没有提出此类要求，但是希望在全球销售产品的电源制造商正在设计符合这一要求的产品。

2.PFC与谐波的关系

请注意，尽管电流波形有严重失真，电流和电压仍可以完全同相。应用“相位角余弦”的定义会得出电源的功率因数为1.0的错误结论。

显示了电流波形的谐波内容。基波（在本例中为 60 Hz）以 100%的参考幅度显示，而高次谐波的幅度则显示为基波幅度的百分比。注意到几乎没有偶次谐波，这是波形对称的结果。如果波形包含无限窄和无限高的脉冲（数学上称为δ函数），则频谱会变平坦，这意味着所有谐波的幅度均相同。顺便说一下，这个电源的功率因数大约为 0.6。

作为参考，上图显示了功率因数校正完好的电源输入。它的电流波形和电压波形的形状和相位都极为相似。注意到它的各输入电流谐波几乎都为零。

3. 输入线路谐波和EN61000-3-2比较

三个 250W 计算机电源的输入谐波，以及 EN61000-3-2 所规定的限制水平。这些限制适用于 D 类设备，包括个人电脑、电视机和监视器。谐波幅度和这些设备的输入功率成正比。对于其他功率低于上述设备的产品而言，限制水平则固定在与 600W 输入相对应的值上。无源 PFC 的性能如本图所示，仅三次谐波（谐波数 3）达到限制水平。

二、临界导电模式 (CRM) 控制器

临界导电模式或者过渡模式控制器在照明和其他较低功率应用中很常见。这些控制器使用简单，而且价格低廉。

所示为一个典型的应用电路。基本的 CRM PFC 转换器使用一种类似于如上所示的控制方案。具有低频极点的误差放大器向参考乘法器提供一个误差信号。乘法器的另一个输入是经整直的交流输入线路电压的比例版本。乘法器输出是误差放大器的近似直流信号和交流输入端的全波整流正弦波形的乘积。乘法器输出的信号也是经增益系数变换后的全波整直正弦波（误差信号），而且被用作输入电压的参考。此信号的幅度经调整后可保持正确的平均功率，以使输出电压能保持其稳压值。电流整形网络强制电流跟随乘法器的波形，尽管线路频率电流信号（检测后）是参考幅度的一半。电流整形网络的功能如下：

在CRM波形中，Vref 是乘法器的输出信号。此信号被送到比较器的一个输入端，另一个输入端则连接到电流波形。当功率开关接通时，电感电流斜升，直到分路上的信号达到 Vref 的电平。在此点上，比较器会改变状态并断开功率开关。断开开关后，电流斜降直到降为零。零电流检测电路测量电感两端的电压，当电流达到零时，它也会降到零。在此点上，开关接通，电流再次斜升。这种控制方案叫做临界导电，而且就像名称所表示的一样，它可将电感电流保持在连续和不连续导电的边界。这点很重要，因为波形总是已知的，因此，平均和峰值电流之间的关系也是已知的。对于三角波形，平均值就是峰值的一半。这意味着平均电流信号（电感电流 x Rsense）位于参考电压一半的水平。

如前面部分所述， CRM 控制器的电流波形从零斜升至参考信号，然后再斜降回零。参考信号是整流输入电压的比例变换，这可以表示为 k x Vin，其中 k 是经典电路中的交流电压分压器和乘法器的比例常数。有了这个条件，并且在电感斜率和输入电压的关系已知的情况下，便可得出下列公式：

令两式中的电流峰值相等，便得出：

在所示电路中， 可编程单稳态定时器决定了功率开关的导通时间。当导通周期结束时， PWM切换状态并且断开电源开关。零电流检测器将检测电感电流，而且当电流达到零时，开关会再次接通。这会产生稍稍不同的电流波形，但是和经典方案的直流输出相同，且无须使用乘法器。
因为导通时间的给定值仅在给定负载和线路电压的条件下有效，且直流环路的低频误差放大器连接到单稳态电路。误差信号改变了充电电流，并因而改变了控制电路的导通时
间， 使得可以在一个较宽的负载和线路电压条件范围内保持稳压。

三、连续导电模式 (CCM) 控制

连续导电模式控制在各种应用中被广泛使用，因为它具有几个优点。峰值电流应力低如下图，从而使得开关和其他元件损耗较小。而且，输入纹波电流低且频率恒定，这使得滤波任务变得简单易行。CCM工作的下列属性需作进一步考虑。

1.Vrms^2 控制

和市场上大多数 PFC 控制器的情况一样，一个基本的因素是，参考信号为整流输入电压的比例变换复制品，并被用作电流整形电路的参考。这些芯片都使用乘法器来实现这个功能。但是，该乘法器系统比传统的两输入乘法器更复杂。

上图显示了连续模式 PFC 的典型方法。升压转换器由一个根据电流命令信号 Vi 对电感电流（转换器的输入电流）进行整形的平均电流模式脉冲宽度调制器 (PWM) 驱动。此信号 Vi 是输入电压 Vin 进行了 VDIV· VDIV 幅度变换后的复制品，由电压误差信号除以输入电压的平方得到（经过 Cf 滤波，使得它成为和输入幅度成正比的变换系数）。

用误差信号去除以输入电压幅度的平方似乎并不常见。其目的是使环路增益（以及瞬态响应）独立于输入电压。分母中的电压平方函数抵消了 VSIN 的幅度和 PWM 控制的传递函数（电感中的电流斜率和输入电压成正比）。这个方案的缺点在于乘法器乘积的可变性。这就需要增大功率处理元件的设计余量，以解决最坏情况下的功率耗散。

2.平均电流模式控制

乘法器的交流参考信号输出 (Vi) 表示了图中的 PFC 转换器的输入电流波形、相位和比例系数。PWM 控制器模块的任务是使平均输入电流与参考匹配。为此，一个叫做平均电流模式控制的控制系统将被应用在这些控制器中。

平均电流模式控制采用一个根据控制信号 Icp 来稳定平均电流（输入或输出）的控制电路。对于一个 PFC 控制器， Icp 由低频直流环路误差放大器产生。电流放大器是电流信号的积分器和误差放大器。它控制波形调整，而 Icp 信号控制直流输出电压。电流 Icp 在 Rcp 上产生了一个电压。为保持电流放大器的线性状态，其输入必须相等。因此，在 Rshunt 上的电压降必须等于 Rcp 上的电压，因为在电流放大器同相端的输入电阻上没有直流电流。电流放大器的输出是一个基于分路上平均电流的“低频”误差信号和 Icp 信号。和电压模式控制电路的情形一样，此信号被拿来同振荡器的锯齿波信号进行比较，PWM 比较器将根据这两个输入信号生成一个占空比。

优点：

• 对高于 200W 的功率水平而言效果好。
• 对于输入的变化，一个“除以 V^2”的电路稳定了环路带宽。
  缺点： 比临界导电电路更昂贵而且复杂