第7章

功率因數(shù)校正器的應(yīng)用與維修

開關(guān)電源以其效率高、功率密度高而在電源領(lǐng)域中占主導(dǎo)地位，但傳統(tǒng)的開關(guān)電源存在一個(gè)致命的弱點(diǎn)：功率因數(shù)低，一般為0.45～0.75左右，而且其無功分量基本上為高次諧波。從1992年起國際上開始以立法的形式限制高次諧波，傳統(tǒng)的開關(guān)電源亦在在限制之列。為滿足IEC1000-3-2《家用電器及類似電氣設(shè)備發(fā)出的諧波電流限制》等標(biāo)準(zhǔn)要求，開關(guān)電源中采用功率因數(shù)校正技術(shù)勢在必行。本章主要講述功率因數(shù)校正電路的類型和基本原理，功率因數(shù)校正電路的實(shí)際應(yīng)用以及功率因數(shù)校正電路的維修。

7.1功率因數(shù)校正的基本原理

7.1.1電流諧波含量與功率因數(shù)校正

1.提高開關(guān)電源功率因數(shù)的意義用電設(shè)備的功率因數(shù)和輸入電源的諧波含量都是供電系統(tǒng)和用電部門極為關(guān)心的兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，不論是從保證電力系統(tǒng)的安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，還是從保護(hù)用電設(shè)備以及人身安全來看，都必須使用低諧波含量、高功率因數(shù)的開關(guān)電源，這對各方面來說都是十分必要的。

2.開關(guān)電源輸入電流的諧波含量

只有在輸入交流電壓的峰值附近，整流二極管才會(huì)導(dǎo)通，它的導(dǎo)通角大約為60o，交流整流濾波電路與輸入電壓、電流波形如圖7-1所示。圖7-1交流整流濾波電路與輸入電壓、電流波形

3.功率因數(shù)與電流諧波的關(guān)系

非正弦脈沖電流中含有大量的諧波分量，n次諧波電流與基波電流之比稱為n次諧波含有率，(n次諧波含量）。用n次諧波總的電流有效值與基波電流有效值的百分比表示電流總諧波含量，稱為總諧波畸變率（THD)，簡稱總諧波畸變。即式中In(rma)為n次諧波電流的有效值，有關(guān)功率因數(shù)PF的表達(dá)式為式中Φ1為基波電流與電壓間的相位差，這就是功率因數(shù)與THD的關(guān)系。

7.1.2有源功率因數(shù)校正的基本原理

功率因數(shù)校正(PFC)技術(shù)可分為兩大類：一類是無源PFC技術(shù)；另一類是有源PFC技術(shù)。圖7-2有源功率因數(shù)校正基本工作原理圖

(a)Vdc與IL(b)Vi與Ii圖7-3

功率因數(shù)校正電路輸入電壓及輸入電流波形7.1.3有源功率因數(shù)校正電路的類型

圖7-4有源功率因數(shù)校正電路的主要類型在開關(guān)電源中，以升壓型PFC校正電路作為預(yù)調(diào)整器最為流行。它的主要優(yōu)點(diǎn)是：

(1)能有效地抑制輸入電源的電流諧波含量，完全可以達(dá)到甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于諧波電流畸變指標(biāo)要求；

(2)能將系統(tǒng)功率因數(shù)提高到幾乎等于1的水平，完全能滿足世界各國對功率因數(shù)和總諧波含量的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求；

(3)能輸出低紋波含量的直流電壓，能確保開關(guān)電源的紋波電壓指標(biāo)；

(4)能實(shí)現(xiàn)電壓寬帶輸入(85～265V)，當(dāng)輸入交流輸入電壓在較大的范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，可得到穩(wěn)定的直流電壓輸出；

(5)消除了浪涌電壓及尖峰電壓對電路元件的沖擊，提高了開關(guān)電源的可靠性和安全性，延長了開關(guān)電源的使用壽命。

7.1.4有源功率因數(shù)校正的控制方法

1、峰值電流控制法峰值電流控制法是檢測PFC電路中的開關(guān)電流，采用恒定的開關(guān)電源工作頻率，只有穩(wěn)定的工作頻率才能有效地、快速地測出峰值電流，并將這一電流“削尖”、均化來控制開關(guān)管，進(jìn)行PWM調(diào)節(jié)，使輸入電流波形與輸入電壓保持一致，從而提高功率因數(shù)。由于輸入電流被“削尖”，在電路上對輸入電流波形需要進(jìn)行斜率補(bǔ)償。圖7-5峰值電流控制法的有源功率因數(shù)校正電路圖7-6峰值電流控制法的電感電流波形圖

2、滯環(huán)電流控制法

滯環(huán)電流控制法是檢測PFC電路中電感上的電流，當(dāng)電感電流上升達(dá)到一定值時(shí)，功率開關(guān)管開始導(dǎo)通，電感電流下降到一定值時(shí)，功率開關(guān)管陡然截止，它的控制方式是利用工作頻率的改變來控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通和截止。一般輸出濾波電路按最低工作頻率考慮，所以，開關(guān)電源的體積和重量是最小的，工作損耗較小。

圖7-7滯環(huán)電流控制法的有源功率因數(shù)校正原理圖圖7-8滯環(huán)電流控制法的電感電流波形圖圖7-9滯環(huán)邏輯控制電路

3、平均電流控制法平均電流法是開關(guān)電源和電子鎮(zhèn)流器中有源功率因數(shù)校正用得最多的一種方法?？傊C波含量THD值小，對噪聲不敏感，電感電流峰值與平均值之間的誤差小，具有恒定的工作頻率，可以任意組成各種控制電路，輸出電壓可以隨便調(diào)節(jié)。這種方法的缺點(diǎn)是控制電路比較復(fù)雜，需要增添電流誤差放大器。

圖7-10平均電流控制法有源功率因數(shù)校正原理圖圖7-11平均電流控制法的電感電流波形圖7.2功率因數(shù)校正電路的應(yīng)用

7.2.1由KA7524構(gòu)成的峰值電流控制電路

圖7-12由KA7524構(gòu)成的峰值電流控制PFC電路圖圖7-13KA7524內(nèi)部電路框圖

(1)升壓變換電路

升壓變換電路也叫升壓電感器。升壓變換電路中變壓器TR的一次繞組Np是PFC調(diào)整器的升壓電感Lp，起著峰值電流傳遞和升壓的作用。TR的二次繞組NS的作用有二：一是作為零電流檢測傳感器；二是與電阻R4、整流二極管VD5和電容C3組成電源濾波整流電路，供給KA7524調(diào)制器啟動(dòng)電壓。因此TR是PFC升壓變換電路中的關(guān)鍵元件之一。圖7-14升壓變換電路電感電流Ip

的波形圖

(2)乘法器電路在電路中，電阻R1、R2是乘法器取壓的分壓電阻；R11是電流傳感電阻；R12、R13是誤差放大器偏置電阻。另外，還有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的C4和R7、R8等，這些都是PFC調(diào)整器的重要元件，IC1的3腳是乘法器的電壓輸入端，該腳輸入電壓的最大值不得超過2V，電容C2的作用是高頻濾波，旁路掉輸入部分的尖峰電壓。

KA7524乘法器輸入電壓VMO的大小，由4腳輸出的門限電壓決定。開關(guān)管VT的源極串接電阻R11，用來檢測升壓變換電路一次繞組Np的電流，峰值電流通過4腳的門限電壓來控制。KA7524的乘法器增益K=0.8，基準(zhǔn)電VREF=2.5V。

(3)誤差放大器電路中電阻R12、R13是誤差放大器的偏置電阻，在保證誤差放大器正常工作的前提下，可用來調(diào)整輸出電壓Vo的高低。

IC1(KA7524)工作在高頻時(shí)，可以順利地進(jìn)行脈沖控制轉(zhuǎn)換，可是在低頻下往往對一些低頻信號(hào)有“丟失”的現(xiàn)象，所以在IC1的反相輸入端與誤差放大器的輸出端之間并接有由C4和R7、R8組成的頻率補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，用以防止信號(hào)“丟失”和抑制正升壓變換電路的輸出電壓紋波。電阻R7、R8用于改善負(fù)載的瞬態(tài)響應(yīng)，要求R8＞＞R13。

(4)啟動(dòng)電路

啟動(dòng)電路的元件包括R3和C3。升壓電感Lp在輸入脈動(dòng)電壓的作用下，在二次繞組中感應(yīng)出電流Is。升壓變換電路的二次繞組Ns的兩端電壓為15V，此電壓通過二極管VD5和電容C3整流濾波后，向IC1的8腳提供12V的直流電壓。二次側(cè)脈動(dòng)電壓通過R5向IC1提供3mA的控制電流。R5的阻值為22kΩ,VD5選用快速恢復(fù)二極管1N4148。R4是限流電阻，其阻值不能太大，否則會(huì)引起損耗，使供給IC1的電流不足。啟動(dòng)電阻R3應(yīng)保證在最低輸入電壓VIN(min)下，為IC1提供足夠大的啟動(dòng)電流。

(5)輸入、輸出電路

C1是PFC電路的輸入電容，它的作用是濾除高次諧波，C1選用0.47μF/630V的薄膜電容；電容C6是PFC電路的輸出濾波電容，用于濾除脈動(dòng)交流成分，使輸出電壓平滑。C6選用47μF/450V的電解電容。

整流二極管VD1～VD4的選用要注意兩個(gè)問題，第一是二極管的最大電流問題。流入每只二極管的電流為正弦波，選用二極管時(shí)，應(yīng)使其額定電流大于平均工作電流的3倍，即IF＞3IAVE。第二，二極管的最高反向工作電壓VRM是二極管工作電壓峰值的2倍，即VRM＞2VIN(max)。VD1～VD4可選用1000V/1A的硅整流二極管1N4007。

7.2.2由UC3854構(gòu)成的平均電流控制電路

UC3854是美國尤尼特魯?shù)鹿旧a(chǎn)的單片集成電路，它是采用固定頻率平均電流控制法的PFC控制器，工作于電感電流連續(xù)模式。UC3854內(nèi)部包括電流放大器、高頻振蕩器、模擬乘法器／除法器、電壓放大器、過電流比較器、邏輯電路、低壓電壓檢測器、7.5V的電壓基準(zhǔn)源、MOSFET柵極驅(qū)動(dòng)器、負(fù)載賦能比較器和總線預(yù)測試器以及整形電路等。

圖7-15UC3854的內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖圖7-16UC3854的引腳排列圖圖7-17由UC3854構(gòu)成的PFC電路

7.2.3由ML4813構(gòu)成的滯環(huán)電流控制電路

ML4813是美國微線公司推出的產(chǎn)品，這種控制器采用16腳的封裝排列，片內(nèi)具有振蕩器、誤差放大器、電流限制比較器、PWM比較器、過電壓比較器、欠電壓封鎖電路等。

ML4813的1腳和3～8腳是-0.3～5.5V的模擬電壓輸入端，驅(qū)動(dòng)輸出最大峰值電流達(dá)1A。啟動(dòng)門限電壓為16V±1V，關(guān)斷閾值電壓為l0V±0.5V，啟動(dòng)電流為0.8mA，電源工作電流為20mA,IC振蕩器的最大充電電流為5mA。該芯片的功能比一般芯片要強(qiáng)。

圖7-18ML4813的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及引腳排列圖圖7-19由ML4813構(gòu)成的反激式PFC電路圖7-20反激式PFC輸出電壓波形圖圖7-21反激式PFC電路電感電流波形圖

7.2.4由FA5331P構(gòu)成的有源PFC電路有源PFC控制器FA5331P(M)/FA5332P(M）為雙極型單片集成電路，它為設(shè)計(jì)低輸入電流諧波含量和高功率因數(shù)的預(yù)變換器，可提供一切所必需的功能。FA5332P(M）與FA5331P(M）比較，在輕負(fù)載特性方面有重大改進(jìn)，屬于第二代PFC控制器。

FA5331P(M)/FA5332P(M)采用16腳SOP和DIP封裝，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖如圖7-22所示。圖7-22FA5331P(M)/FA5332P(M)內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖表7-4FA5331P(M)/FA5332P(M）的各引腳功能引腳號(hào)符號(hào)功能描述腳號(hào)符號(hào)功能描述1IFB電流誤差放大器輸出9VC輸出電路電源電壓2IIN-誤差放大器反相輸入10VCCIC電源電壓3VDET乘法器輸入11CS軟啟動(dòng)4OVP過電壓保護(hù)輸入12ON/OFF輸出開/關(guān)控制輸入5VFB電壓誤差放大器輸出13REF參考電壓6VIN-誤差放大器反相輸入14SYNC振蕩器同步輸入7GND地15CT振蕩器定時(shí)電容和電阻，8OUT輸出16IDET電流誤差放大器同相輸入圖7-23由FA5332P構(gòu)成的升壓式APFC電路原理圖7.2.5由TOPSwitch構(gòu)成的有源PFC電路

有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)各種電源裝置電網(wǎng)側(cè)電流正弦化，使電網(wǎng)資源得到充分利用，可基本上消對電網(wǎng)的高次諧波污染，凈化電網(wǎng)。單相有源PFC實(shí)現(xiàn)方式有多種多樣，較為常見的有用UC3854為控制IC的3kW以下的電路，但該電路較為復(fù)雜，外圍元件多，特別是小功率的應(yīng)用時(shí)。1.TOPSwitch在PFC中的應(yīng)用原理

圖7-25由TOPSwitch構(gòu)成的升壓型APFC電路

2．TOPSwitch功率因數(shù)校正預(yù)調(diào)整原理

TOPSwitch采用恒頻可變占空比的控制方式。在整個(gè)工作過程中，升壓電感上的