漫谈PFC的原理与实现.docx

1、漫谈PFC的原理与实现导论:开关电源产品，对电网带来严重的污染，主要包括电流谐波较大，输入功率因数低，为了抑制这一现象，提出了相应的谐波标准，如开关电源产品，当功率在75W以上时都要满足谐波标准，在这一标准的要求下，BOOST PFC开始大放异彩: 一.对于上图：1. 功率因素变差的原因是什么？?是因整流桥吗？a.应该归结为BUS电容电压，是因有BUS电容的电压平台才使输入电流变成窄脉冲了； b.如果没有BUS电容,经过全波整流后还可以保持单位功率因数输入；二.怎么才能改善输入功率因数？ 1.我们想到BOOST电路或其他拓扑结构，BOOST本身是DC/DC变换器，我们反用之活用之。2.输入功率

2、因素变差的根本原因是AC整流电压和电容电压出现了压差；3.这个压差我们用BOOST电路来产生和连通，使整流桥感受不到这个压差的存在，来保持输入的单位功率因数。三.接下来的问题是我们怎样来控制BOOST的开关管来实现？1.使输出的BUS电压稳定在一个值： 采用如图中的红框所示的方式，即让你的电压和一个固定的精准电压进行比较，得到静态工作点的稳态值，可以在加上PID进行的调节，这点大家都很清楚了。*2.重要的是如何让输入电流和电压同步正弦？ a.当然最简单的方法就是把输入电压采样过来(当然要整流后的正馒头波了） ,做为电流的参考信号。3.对于上边的两方面如何一起做到？ 乘，乘法器来做乘后,做为外部

3、电压环的反馈信号来给开关管的内部电流环； 来实现电流跟随电压的目的。 4. 内环和外环有什么要求？ 内环要快，外环要慢，快慢之差，要让电流内环感到外部电压参考就是一个衡量。 5.当然这后边有更深层的东西，电压环要慢到克服市电工频的影响； 开关管最好别快得让开关频率跑到EMI的测试范围中。四：剩下的该进一步探讨BOOST本身的问题了： 1.工作模式，与影响的负载和电感的关系应怎样理解（后续再简述） a.CCM b.CriCM(BCM) c.DCM五：接着谈BOOST电路：BOOST电路的三种工作模式：1. 为CCM工作模式；2. 为BCM工作模式；3.为DCM工作模式;其中，K=2Lfs/R 为

4、和负载相关的参数；所以：a.低压输入，重载，会更容易跑到连续模式；b.高压输入，轻载，会更容易跑到断续模式；而电感同样:a.如果想完全工作在CCM模式必须足够大;b.完全工作在断续模式必须足够小;事实上：我们希望工作连续模式，允许小范围工作断续模式，这样比较好处理。六.BOOST的控制:1.（1）DCM输入电流自动跟踪输入电压，控制简单，仅需一个电压环，成本低，电感量小，主管ZCS，续流管无反向恢复问题 ,适合小功率用电设备 。（2）BCM 一般采用变频控制，在固定功率开关管开启时间的条件下，调整开关管的关断时间，使电感始终处于临界导电模式，可获得单位功率因数，适用于中小功率场合。开关频率不固

5、定（变频），功率管导通时间固定。 （3）CCM 电感电流连续时可以选择多种控制方法，如：峰值电流控制、滞环电流控制、平均电流控制等，适用于大功率场合 ，开关频率可以恒定（如峰值电流控制等（定频），也可以变化（如滞环控制（变频）。2. 控制方法(CCM)： (1）峰值电流控制： a.当电感电流达到电流基准以前，开关一直处于导通的状态b. 电流基准是由全波整流电压的采样值与电压环误差放大器的输出乘积决定的，一旦当电感电流达到电流基准，经比较器输出一关断信号，使开关管截止c.以后由定频时钟再次开通开关，如此进行周期性变化d.电感电流的峰值包络线跟踪整流电压Vdc的波形，使输入电流与输入电压同相位，并

6、接近正弦波 峰值电流控制的优点是实现容易，缺点是其占空比变化较大。在占空比50%时，电流环会产生次谐波振荡现象，这种现象常出现在恒频PWM DC/DC变换器中，因此，这个电路中也会发生这种现象。为了克 服 这一现象，必须在比较器的输人端加一斜坡补偿。（2）平均值电流控制： a.主电路的输出电压Vo和基准电压Vref比较后，输入给电压误差放大器Vea，整流电压Vac检测值和Vea 的输出电压信号共同加到乘法器的输入端，再除以前馈电压的平方，乘法器的输出则作为电流反馈控制的基准信号。 b.储能电感电流信号与电流基准信号比较做差后，再经过PI调节器， 与载波交截，产生PWM波以控制开关管的通断，从而

7、使即电感电流IL的平均值跟踪基准，从而使输入电流波形与输入电压的波形基本一致，使电流谐波大为减少，提高了输入端的功率因数.开关频率由载波频率决定（一般定频）。（3）a. 电压外环的作用是为滞环控制单元提供瞬时电流参考信号，作为滞环逻辑控制器的输入b.所检测的输入电压经分压后，产生两个基准电流：上限值与下限值c.当电感电流达基准下限值时，开关管导通，电感电流上升，当电感电流达基准上限值时，开关管关断，电感电流下降d.电流滞环宽度决定了电流纹波大小.开关频率由环宽决定（变频） 七.CCM和DCM之间的BCM为例以示列来谈电感值的求取:八再谈DCM模式变频控制的Ton： （1）假定在稳态条件下，在一

8、个开关周期内，开关管的导通时间为Ton，输入电压为Uin，电感电流为I;电感电流峰值为Imax，感量为L，电感电流达到峰值时，对应的电压ui。则在开关导通期间，有：2）什么情况？ 如果输入周期内各开关周期的占空比近似不变时，电感电流的峰值与输入电压成正比，反之也成立。大家不感到这很有意思吗? 变频控制，导通时间竟然是个常量。三.接下来的问题是我们怎样来控制BOOST的开关管来实现？1.使输出的BUS电压稳定在一个值： 采用如图中的红框所示的方式，即让你的电压和一个固定的精准电压进行比较，得到静态工作点的稳态值，可以在加上PID进行的调节，这点大家都很清楚了。*2.重要的是如何让输入电流和电压同

9、步正弦？ a.当然最简单的方法就是把输入电压采样过来(当然要整流后的正馒头波了） ,做为电流的参考信号。3.对于上边的两方面如何一起做到？乘法器来做乘后,做为外部电压环的反馈信号来给开关管的内部电流环；来实现电流跟随电压的目的。 4. 内环和外环有什么要求？ 内环要快，外环要慢，快慢之差，要让电流内环感到外部电压参考就是一个衡量。 5.当然这后边有更深层的东西，电压环要慢到克服市电工频的影响；开关管最好别快得让开关频率跑到EMI的测试范围中。四：剩下的该进一步探讨BOOST本身的问题了： 1.工作模式，与影响的负载和电感的关系应怎样理解（后续再简述） a.CCM b.CriCM(BCM) c.

10、DCM一.现在BOOST和PFC几乎化等号了，说明采用BOOST进行PFC开始就采用且已相当流行和普遍； 同时BOOST电路也是因安规谐波要求和PFC而大放异彩；但事实上并不是只有BOOST可以， 很多拓扑结构都可以实现这样的功能；关键在于是否容易实现和控制，人们都感到完成PFC采用BOOST最好实现和控制。二.1.从上图我们可以看出BOOST的几个特性:a.输出电压高于输入电压；*2.输入电流连续；b.输出电流断续；c.开关管驱动不用隔离；2.从上图我们可以看出Buck的几个特性；a.输出电压低于输入电压；b.输出电流连续；*c.输入电流断续d.一般开关管驱动用隔离；3.从1与2可以看出，B

11、OOST电路做PFC具有天生的优势，因为输入电流连续，正是我们需要的可以和电网有很好的亲和，同时电流连续，令人头痛的EMI也容易处理； 而Buck电路和负载亲和得很好。三.1.Buck PFC:2.BOOST电路，做为升压的经典拓扑，电路本身要求，输出电压一定要高于输入电压才可以正常工作； 所以我们采用BOOST电路来做PFC,母线BUS电压都在380-400V，这样的高压有时会给我们的设计带来了很多麻烦；3.尤其是在一般的AC/DC中，比如充电器和Adapter等，我们都么希望母线是低电压呀，这样我们的开关管和设计将变得容易，也不会出现因过压而产生的问题。同时，没有了中间的泵升和再降，效率也

12、会提高。为什么不采用Buck电路来做PFC那？4.如上图，因BUCK电路要实现PFC要工作在这样纷繁交互的模式中,需要每个阶段都良好的控制，有挑战和难度； 好用，管用，是产品设计的追求。5.但是工程师没有停止这样的尝试，电源工程师和IC工程师，都在为用Buck来做PFC和相应的芯片控制芯片而努力，并且已经取得了成果。已有产品问世，只不过很少出现在市场上。相信很快，这项技术就会被研究和掌握，产品也会相继出现。五：接着谈BOOST电路：BOOST电路的三种工作模式：1. 为CCM工作模式；2. 为BCM工作模式；3.为DCM工作模式;其中，K=2Lfs/R 为和负载相关的参数；所以：a.低压输入，

13、重载，会更容易跑到连续模式；b.高压输入，轻载，会更容易跑到断续模式；而电感同样:a.如果想完全工作在CCM模式必须足够大;b.完全工作在断续模式必须足够小;事实上：我们希望工作连续模式，允许小范围工作断续模式，这样比较好处理六.BOOST的控制:1.（1）DCM输入电流自动跟踪输入电压，控制简单，仅需一个电压环，成本低，电感量小，主管ZCS，续流管无反向恢复问题 ,适合小功率用电设备 。（2）BCM 一般采用变频控制，在固定功率开关管开启时间的条件下，调整开关管的关断时间，使电感始终处于临界导电模式，可获得单位功率因数，适用于中小功率场合。开关频率不固定（变频），功率管导通时间固定。 （3）

14、CCM 电感电流连续时可以选择多种控制方法，如：峰值电流控制、滞环电流控制、平均电流控制等，适用于大功率场合 ，开关频率可以恒定（如峰值电流控制等（定频），也可以变化（如滞环控制（变频）。2. 控制方法： (1）峰值电流控制： a.当电感电流达到电流基准以前，开关一直处于导通的状态b.电流基准是由全波整流电压的采样值与电压环误差放大器的输出乘积决定的，一旦当电感电流达到电流基准，经比较器输出一关断信号，使开关管截止c. 以后由定频时钟再次开通开关，如此进行周期性变化d.电感电流的峰值包络线跟踪整流电压Vdc的波形，使输入电流与输入电压同相位，并接近正弦波 峰值电流控制的优点是实现容易，缺点是其

15、占空比变化较大。在占空比50%时，电流环会产生次谐波振荡现象，这种现象常出现在恒频PWM DC/DC变换器中，因此，这个电路中也会发生这种现象。为了克 服 这一现象，必须在比较器的输人端加一斜坡补偿。（2）平均值电流控制： 主电路的输出电压Vo和基准电压Vref比较后，输入给电压误差放大器Vea，整流电压Vac检测值和Vea 的输出电压信号共同加到乘法器的输入端，再除以前馈电压的平方，乘法器的输出则作为电流反馈控制的基准信号。储能电感电流信号与电流基准信号比较做差后，再经过PI调节器， 与载波交截，产生PWM波以控制开关管的通断，从而使即电感电流IL的平均值跟踪基准，从而使输入电流波形与输入电

16、压的波形基本一致，使电流谐波大为减少，提高了输入端的功率因数.开关频率由载波频率决定（一般定频）。（3）a.a.电压外环的作用是为滞环控制单元提供瞬时电流参考信号，作为滞环逻辑控制器的输入b.所检测的输入电压经分压后，产生两个基准电流：上限值与下限值c.当电感电流达基准下限值时，开关管导通，电感电流上升，当电感电流达基准上限值时，开关管关断，电感电流下降。d.电流滞环宽度决定了电流纹波大小.开关频率由环宽决定（变频）七.CCM和DCM之间的BCM为例以示列来谈电感值的求取:八再谈DCM模式变频控制的Ton： （1）假定在稳态条件下，在一个开关周期内，开关管的导通时间为Ton，输入电压为Uin，

17、电感电流为I;电感电流峰值为Imax，感量为L，电感电流达到峰值时，对应的电压ui。则在开关导通期间，有： 2）什么情况？ 如果输入周期内各开关周期的占空比近似不变时，电感电流的峰值与输入电压成正比，反之也成立。大家不感到这很有意思吗? 变频控制，导通时间竟然是个常量。关于PF变差的原因，我个人的理解再解释一下:1. 电流之所以不好的原因是因桥中的二极管没有在整个周期内导通;2. 而二极管截至的原因是因有反向的电压作用于二极管，二极管因阴极电压比阳极电压高了而停止导通了；3. 我们目的是再创造一个电压，作用于二极管上，使二极管在全范围内正向导通。4. 最后问题似乎还是归结为二极管是什么导致二极管截至，从而我讲归根于BUS电压平台的问题；只有输入电压大于这个平台电压二极管才有机会导通。