连续调制模式功率因数校正器的设计

介绍了有源功率因数校正的工作原理及实现方法，并针对各种校正技术的特点进行了对比分析。之后着重分析了工作于连续调制模式下的升压型有源功率因数校正技术，并提供了完整的设计方案。实验表明应用该方案设计的功率因数校正电路可以稳定地将功率因数提高到0.99以上，并将总谐波失真降至10％以下。最后给出了实验的数据及部分波形。

关键词：有源功率因数校正；连续调制模式；总谐波失真

0 引言

传统的从220V交流电网通过不控整流获取直流电压的方法在电力电子技术中取得了极为广泛的应用，其优点在于结构简单、成本低、可靠性高。但这种不控整流使得输入电流波形发生严重畸变，呈位于电压峰值附近的脉冲状，其中含有大量的谐波成分。一方面对电网造成严重的污染，干扰其他电子设备的正常工作；另一方面也大大降低了整个电路的功率因数，通常仅能达到0.5～0.7。

解决这一问题的办法就是对电流脉冲的高度进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波，这一技术即为功率因数校正（Power Factor Correction）。功率因数（PF）是指有功功率（P）与视在功率（S）的比值，即：

PF=×cosΦ=γcosΦ

所以，功率因数可以定义为电流失真系数（γ）和相移因数（cosΦ）的乘积。

功率因数校正技术，从其实现方法上来讲，就是使电网输入电流波形完全跟踪电网输入电压波形，使得输入电流波形为正弦波(γ=1)，且和电压波形同相位（cosΦ=1）。在理想情况下，可将整流器的负载等效为一个纯电阻，此时的PF值为1。

功率因数校正技术大致可以分为无源和有源两种，考虑到无源PFC的体积庞大且性能较差，因此本文只针对有源功率因数校正（APFC）技术做一些方法性的探讨。

1 APFC技术的实现方法及其特点

1.1 APFC电路的基本结构

1.1.1 降压式

如UC3871，因其噪声大，滤波困难，功率开关管上的电压应力大，控制驱动电平易浮动，故很少被采用。

1.1.2升/降压式

如TDA4815、TDA4818，须用两个功率开关管，其中一个功率开关管上的驱动控制信号浮动，电路复杂，故较少被采用。

1.1.3 反激式

如ML4813，输出与输入隔离，输出电压可以任意选择，采用简单电压型控制，适用于150W以下小功率的应用场合。

1.1.4 升压式

此方法被广泛采用，其特点为简单电流型控制，PF值高，THD小，效率高，但是输出电压高于输入电压。适用于75～2000W功率范围的应用场合，应用最为广泛。它具有以下优点：电路中的电感L适用于电流型控制；由于升压型APFC的预调整作用在输出电容C上保持高电压，所以电容C的体积小、储能大；在整个交流输入电压变化范围内能保持很高的功率因数；输入电流连续，并且在APFC开关瞬间输入电流小，易于EMI滤波；升压电感L能阻止电压、电流的瞬变，提高了电路的可靠性。

1.2 APFC电路中输入电流的控制原理

1.2.1 平均电流型

如ML4832、UC3854，工作频率恒定，采用连续调制模式（CCM），工作波形如图1所示。这种控制方式的优点是恒频控制；工作在电感电流连续状态，开关管电流有效值小、EMI滤波器体积小；能抑制开关噪声；输入电流波形失真小。主要缺点是控制电路复杂；须用乘法器和除法器；须检测电感电流；需电流控制环路。

图1 平均电流型

1.2.2 峰值电流型

如ML4831、MC34262，工作频率恒定，CCM，工作波形如图2所示。

图2 峰值电流型

1.2.3 滞后电流型

如CS3810，工作频率可变，CCM，电流达到滞后带内发生功率开关的导通或关断，使输入电流上升或下降。其电流波形平均值取决于电感输入电流，工作波形如图3所示。

图3 滞后电流型

1.2.4 电压跟踪控制型

如ML4813、SG3561，工作频率可变，采用不连续调制模式（DCM），其工作波形如图4所示。DCM采用跟随器的方法，具有电路简单、易于实现的优点，但也存在以下缺点：功率因数和输入电压Vin与输出电压VO的比值Vin/VO有关，即当Vin变化时，功率因数PF也将发生变化，同时Vin/VO的增大使得输入电流波形的THD增大；开关管的峰值电流大（在相同容量情况下，DCM中通过开关管的峰值电流为CCM的2倍），从而导致开关管的损耗增加。所以，在大功率的应用场合中，基于CCM方式的APFC更具优势。

图4 电压跟踪控制型

2 CCMAPFC电路的设计方法

基于以上各种方案的特点分析可知，在75～2000W功率的应用场合中，选择工作于连续调制模式下的平均电流型BoostAPFC电路来实现较为适合。在具体的电路设计中，控制芯片选用UC3854A（其内部结构见图5），这是Unitrode公司生产的一款高功率因数校正集成控制电路芯片，它的峰值开关电流近似等于输入电流，对瞬态噪声的响应极小，是一款理想的APFC控制芯片。

图5 UC3854A内部结构图

2.1 技术指标

输入电压 Vin=AC 150～265V；

输出电压 VO=DC 400V；

电源频率 f=47～65Hz；

输出功率 PO=2kW；

开关频率 fs=50kHz。

2.2 开关频率

开关频率高可以减小PFC电路的结构尺寸，提高功率密度，减小失真；但频率太高会增大开关损耗，影响效率。在大多数应用中，20～300kHz的开关频率是一个较好的折中。本设计中开关频率选择为50kHz，这样电感量的大小合理，尖峰失真小，电感的物理尺寸较小，MOSFET和Boost Diode上的功率耗损也不会过多。在更高功率的PFC设计中，适当降低开关频率可以降低开关损耗。振荡器的工作频率由式（1）决定。

fs=（1）

2.3 Boost电感的选择

电感决定了输入电流纹波的大小，它的电感量由规定的纹波电流给出。

最大峰值电流出现在最小线路电压的峰值处，并由式（2）给定。

ILINE(PK)=×P／Vinmin（2）

电感器中的峰—峰值纹波电流，通常选择在最大峰值线路电流的20％左右，即

ΔI=ILINE(PK)×20％（3）