PFC技术交流_杜娟20070706

1、PFC技术交流杜 娟二次/工业电源测试室2007.07.06主要内容 PFC基础知识 Boost变换器工作原理 APFC控制方法 APFC控制芯片 APFC母线电容纹波电流 APFC环路测试PFC基础知识PF的定义1 功率因数（Power Factor）的定义是指输入有功功率(p)和视在功率(S)的比值； 线性电路功率因数可用 表示， 为正弦电流与正弦电压的相位差； 但是由于整流电路中二极管的非线性，导致输入电流为严重的非正弦波形，用 已不能表示整流电路的功率因数；coscosPFC基础知识 PF的定义2 在电力电子电路中，用PF表示功率因数。coscoscos22221111nininrms

2、rmsIIIIIIIVIVSpPFcoscos222211nIIII被称为电流的畸变因数基波电压和基波电流的位移因数功率因数是畸变因数和位移因数的乘积。PFC基础知识 PFC的引入 常规直接整流电路的滤波电容使输出电压平滑，但却使输入电流变为尖脉冲，并产生高次谐波分量。 输入电流波形畸变，导致功率因数下降，污染电网，甚至造成电子设备损坏。 引入功率因数校正是必要的PFC基础知识 PFC基本原理 利用功率因数校正技术可以使交流输入电流波形完全跟踪交流输入电压波形，使输入电流波形呈纯正弦波，并且与输入电压波形同相位，此时整流器的负载可等效为纯电阻。 根据常用功率因数校正方法可分为有源功率因数校正(

3、APFC)技术与无源功率因数校正(PPFC)技术。它置于桥式整流器与滤波用电解电容器之间，实际上是一种DC-DC变换器。PFC基础知识 PFC电路形式 无源功率因数校正是利用电感和电容组成滤波器，对输入电容进行移相和整形。 有源功率因数校正（APFC：Active Power Factor Correction），在负载即电力电子装置本身的整流器和滤波电容之间增加一个功率变换电路，将整流器的输入电流校正成为与电网电压同相位的正弦波，消除了谐波和无功电流，因而将电网功率因数提高到近似为1。 APFC电路常用拓扑：升压式（Boost）降压式（Buck）升/降压式（Buck/Boost）反激式（Fl

4、y back） APFC电路形式：单极式双极式单相PFC三相PFCBoost变换器工作原理 Boost变换电路是有源功率因数校正器主回路拓扑的极好选择。 优点：输入电流连续，因而产生低的传导噪声和最好的输入电流波形； 缺点：需要比输入峰值电压还要高的输出电压。Boost变换器工作原理APFC控制方法峰值电流控制 这种方法的特点是输入电流的峰值包络线跟踪输入电压波形，可使输入电流和输入电压同相，并接近正弦。其工作原理是：在每个开关周期开始时，功率管VT导通，电感电流上升，当电感电流上升到峰值（由基准电流控制）时，比较器动作，输出信号使VT关断，电感电流下降，直到下一个开关周期VT再次导通。这种方

5、法的开关频率不固定。峰值电流控制方式的电流反馈信号既可以通过检测电感电流得到，也可通过检测VT上的电流得到。基准电流值由电压误差放大器的输出信号与整流电压Vdc的检测信号相乘得到的。图为峰值电流控制的电感电流波形。（a）峰值电流控制方式APFC控制方法 滞后电流控制这种方法利用滞环比较器，使电感电流围绕基准电流上下变动，变动的范围决定于滞环的宽度。与峰值方式不同的是这种方法的电流反馈信号必须来自对电感电流的检测，但是电流基准信号是用同样的方法得到的。通过这种方式使输入电流跟踪输入电压波形，可使输入电流和输入电压同相，并接近正弦。这种控制方法的缺点是：开关频率不固定，使输出滤波器的设计难以优化；

6、滞环控制和峰值控制对噪声都很敏感。APFC控制方法 平均电流控制这种控制方法采用的是电压外环、电流内环的双环控制。它用电流误差放大器替代峰值和滞环方法中的电流比较器，形成电流内环。同样以输出电压误差放大信号与整流电压的检测值的乘积为基准电流，和电流反馈加到电流误差放大器输入端，通过误差放大器调节输入电流平均值。使输入电流和电压同相，并接近正弦波形。输入电流与基准电流比较后，其高频分量被平均化处理，平均电流误差信号与锯齿波比较后形成控制开关VT通断的PWM信号。平均电流控制的特点：THD小；对噪声不敏感。既可工作于电流连续模式（CCM），也可工作于断续模式（DCM）。APFC控制芯片MC3336

7、8APFC控制芯片MC33368 MPW300-28A-2在额定输入输出时的波形。 绿色为电感电流， 红色为电感电压。 上图为工频波形， 下图为开关周期波形。 开关频率不固定 电流峰值很高APFC控制芯片MC33368 输入电压较高时，电感电流不过零的问题 电流检测电路，小于1V认为电流过零 正常整流管自然断流 输入电压高时，电流检测异常，强行开通开关管，整流管被迫关断 改善方法：可增加输入电压补偿APFC控制芯片L4981ADAPFC控制芯片L4981ADAPFC控制芯片L4981AD BSR电源实测波形 紫色为主管Vgs，红色为主管Vds，黄色为PFC电感电流 上图为工频波形，下图为展开部

8、分开关周期波形APFC控制芯片L4981AD 以BARCO电源为例 Vin大于100V，辅助源启动，Vccp13.5V Vin大于160V，欠压恢复，P_UVLD变高； 基准VREF升高并稳定到5.1V ； SS升高到0.5V，并最终稳定到8.5V； COSC开始振荡； COSC稳定一段时间后，驱动GDRV开始输出APFC控制芯片L4981AD 反馈控制，电压外环 输入上电，直接整流 欠压恢复，开始驱动 PFC母线电压反馈信号和内部基准电压是电压反馈运放两输入端，开始输出电压较低，运放饱和，母线电压迅速上升并有过冲 OVP大于5.1V，封锁驱动，母线电压恢复，OVP放开，VBus趋于稳定Ch1

9、: VBus， PFC母线电压Ch2: VFEED， 4981反馈信号Ch3: GDRV， 4981驱动输出Ch4: OVP， 4981过压信号APFC控制芯片L4981AD 反馈控制，电流基准 乘法器输入有四个信号 VA-OUT，电压误差放大器输出，调节输出电压 IAC，源自输入电压波形信号，调节输入电流波形与输入电压波形一致 VRMS，快速补偿输入电压的变化，电压增大，电流按比例减小，功率不变 LFF，负载前馈，快速补偿输出负载的变化Ch1: VRMS，输入电压有效值 信号Ch2: IAC，输入电流波形信号Ch3: VA-Out，电压误差放大 器输出Ch4: MULT-Out，乘法器输 出

10、，电流基准信号APFC控制芯片L4981AD 反馈控制，电流内环 电流检测信号为负，不能直接连ISENSE 电流检测信号接到电流误差放大器同相端，相当于在ISENSE端接正的电流信号 CA-OUT为电流误差放大器输出，可控制PWM脉冲大小Ch1: MULT-Out，乘法器输 出，电流基准信号Ch2: ISENSE，电流检测信号Ch3: CA-OUT，电流环输出， PWM比较信号APFC控制芯片L4981AD 反馈控制，PWM脉冲 波形依次为CA-OUT, COSC, GDRV 上边为工频周期整体下边为开关周期细节 COSC上升点开始驱动脉冲 CA-OUT大于COSC关断驱动脉冲 前提：没有其他

11、保护动作APFC控制芯片L4981AD PSR650-A启动问题 输入低压90V，欠压恢复继电器闭合时，声音异常，输入电流有大于60A的高频振荡 输入电压高时220V，没有这种情况 用AC Source时有振荡，用调压器输入时没有振荡继电器闭合时的波形Ch1: 输入电压Ch2: 输入电流Ch4: 输出电压APFC控制芯片L4981AD 上图为起机时波形P-UVLO，SS，GDRV 下图ch4为正常时IPK波形逐波限流，正常大于零不起作用 SS内部100uA电流源向外接电容充电，形成软启动，外接电容较小时，电压上升很快，占空比快速放开，脉冲电流很大，IPK动作限制电感电流，需要很大的瞬间能量AP

12、FC控制芯片L4981AD上图有问题的波形，下图解决后的波形绿色整流桥后滤波电容电压，黄色PFC电感电流这个大瞬间能量由整流桥后滤波电容提供，导致滤波电容电压下降，于是输入源通过输入电感给滤波电容充电，带来很大的高频电流输入电压高所需能量小调压器电感限制电流变化解决方法，增大SS电容，从1uF到2.2uF，逐渐放开占空比，输入电流不再振荡，影响启动稍慢APFC母线电容纹波电流 PFC母线电容工作在脉动电压下，通过电容器的交流电流称之为纹波电流 纹波电流通过ESR产生热，影响电容寿命 额定纹波电流是电容器在上限使用温度，120Hz频率下允许的最大纹波电流。 PFC母线电容的纹波电流含工频分量，P

13、FC开关频率分量，DC/DC开关频率分量，很难准确测量ESRESLCAPFC母线电容纹波电流 BSR电源测试波形，整体波形，工频和部分高频 整体测量的结果1.337 计算两个分量的结果 In为相应频率电流有效值 Kn为相应频率纹波电流转换系数343. 1)5 . 1929. 1()13866. 0()(.)()(222222211nnrmsKIKIKIIAPFC环路测试 输入电压是全波整流波形，环路时刻处于动态调节中，不能直接测试 为了精确测试环路特性，输入要用直流电压，从小到大各个稳定工作点，输入电压和负载的设置应与实际工作情况相符 在功率一定的情况下，一般的Boost电路，输入电压与输入电

14、流成反比变化；APFC的Boost电路，输入电压有效值与输入电流有效值成反比，但是在任一输入电压下，输入电流与输入电压同步变化，从而实现高功率因数。APFC环路测试 APFC电路输入电压，电流和功率如图所示，如设计最大功率2200W，先不考虑效率，输入电压有效值最大220V，最小110V，可据此调节输入电压和负载，必要时可去掉输入过欠压保护和输出过流保护APFC环路测试 BSR电源PFC环路问题 输入低压85V，输出从轻载如6A跳到满载21.5A，或输出满载，输入从高压如276V跳到低压85V，则PFC部分会持续振荡啸叫，PFC电压跌到395V，观察驱动波形异常 PFC电压环主要是抑制交流电压波动引起的100Hz的低频纹波，带宽在1020Hz效果较好 PFC异常时主管波形Ch1: VdsCh4: VgsAPFC环路测试 测试发现，PFC电压环的带宽约80Hz