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1、PFC電路原理,-全勇 05/08/,目 錄,1.PF的相關知識 2. AC-DC電路的輸入電流諧波分量和功率因數 3.提高AC-DC電路輸入端功率因數和減小電流諧波的主要方法 4 . Boost功率因數校正器(Boost-APFC)的工作原理 5 . APFC集成控制電路的工作原理簡介,1.正弦電路的功率因數 任一網路N在圖示關聯參考方向下, 輸入網路的暫態功率P等於電壓與電流瞬時值的乘積, 即: p=u*i 設正弦電壓和電流分別爲: u=U*Sint i=I*Sin(t-) (爲埠電壓與電流的相位差) 則有p=u*I=U*Sint*U*Sin(t-)=U*I*Cos-Cos(2t-) 可見
2、暫態功率是由恒定分量UICos和正弦分量兩部分組成, 正弦分量的頻率是電壓頻率的兩倍. 其中感性網路中0, 容性網路中0. 此時電壓和電流的波形如圖. 由圖可見在每一個周期內有兩段時間內u和I的實際方向相反, 此時p0, 即網路內部儲能元件把儲存的電磁能量返回電源的緣故,2.AC-DC電路的輸入電流諧波分量和功率因數 在AC-DC開關電源的輸入端, AC電源經全波整流後, 一般接一個大電容, 如圖, 以得到波形比較平直的直流電壓. 整流器電容濾波電路是一種非線性元件和儲能元件的組合. 因此, 雖然輸入正弦交流電壓, 但電流波形卻嚴重畸變, 呈脈衝狀, 如圖.,由此可見, 大量應用整流電路, 會
3、使電網供給嚴重畸變的非正弦電流, 造成的嚴重後果是: 諧波電流對電網有嚴重的危害, 並且輸入端功率因數下降 .,脈衝狀的輸入電流, 含有大量諧波, 一方面使諧波躁音水平提高, 同時在AC DC整流電流的輸入端必需增加濾波器. 對上圖的電流波形, 可用傅里葉級數展開, 得到各次諧波分量的百分比, 總的諧波電流分量(或稱總諧波畸變 Total Harmonic Distortion)用THD表示. 大量的電流諧波分量倒流入電網(稱為Harmonic Emission), 造成對電網的諧波”污染”. 一方面產生”二次效應”, 即電流流過線路阻抗造成諧波電壓降, 反過來使電網電壓(原來是正絃波)也產生
4、畸變; 另一方面, 會造成電路故障, 使變電設備損壞 上面講到正弦電路的功率因數用Cos表示. 由於整流電路中二極管的非線性, 儘管輸入電壓為正弦, 電流卻為嚴重非正弦, 因此正弦電路的功率因數計算不再適用於AC-DC變流電路, 後續用PF(Power Factor)表示功率因數. 定義: PF=有功功率/伏安=P/(U*I) 設AC-DC變流的輸入電壓(有效值U)為正弦, 輸入電流為非正弦, 其有效值為:,.提高AC-DC電路輸入端功率因數和減小電流諧波的主要方法 a.無源濾波器 這一方案是電路的整流器和電容之間串聯一個濾波電感, 或在交流側接入諧振濾波器. 其主要優點是: 簡單、成本低、可
5、靠性、EMI小. 主要缺點是: 尺寸和重量大, 難以得到高功率因數(一般可提高到0.9左右), 工作性能與頻率、負載變化及輸入電壓變化有關, 電感和電容間有大的充放電電流等. b.有源濾波器(或稱主動式功率因數校正器) 在整流器和負載之間接入一個DC-DC開關變換器, 應用電流反餽技術, 使輸入端電流波形跟蹤交流輸入正弦電壓波形, 可以使電流接近正弦. 從而是輸入端THD小於5%, 而功率因數可提高到0.99甚至更高. 此種方案即主動式PFC(Active Power Factor Correction), 簡稱APFC. 它的主要優點是: 可得到較高的功率因數; THD小; 可在較寬的輸入電
6、壓範圍和寬頻帶下工作; 體積和重量小; 輸出電壓可保持恆定. 主要缺點是: 電路複雜; MTBF下降; 成本高; EMI高; 效率會有所下降.,1.APFC的基本原理. 從原理上講, 任何一種DC-DC變換器拓朴都可以用作APFC的主電路. 但是, 由於Boost變換器的特殊優點, 應用於APFC更為廣泛. 下面以Boost-APFC為例, 說明APFC電路的基本工作原理. 下圖為Boost-APFC電路的原理圖. 主電路有單相橋式整流器和DC-DC Boost變換器組成, 虛線框內為控制電路, 包括: 電壓誤差放大器VA及基準電壓Vr, 電流誤差放大器CA, 乘法器M, 脈寬調制器(圖中未給
7、出)和驅動器等, 負載可以是一個開關電源.,PFC工作原理如下: 主電路的輸出電壓Vo和基準電壓Vr比較後, 輸入給電壓誤差放大器VA, 整流電壓Vdc檢測值和VA的輸出電壓信號共同加到乘法器M的輸入端, 乘法器M的輸出則作為電流反餽控制的基準信號, 與開關電流檢測值比較後, 經過電流誤差放大器CA加到PWM及驅動器, 以控制開關Tr的通斷, 從而使輸入電流(即電感電流)的波形與整流電壓Vdc的波形基本一致, 是電流諧波大為減少, 提高了輸入端功率因數, 由於功率因數校正器同時保持輸出電壓恆定, 使下一級開關電源設計更容易. 上圖中給出輸入電壓波形Vdc、Vi和經過校正的輸入電流、波形, 輸入
8、電流PWM頻率調制, 使原來呈脈衝狀的波形, 調制成接近正弦(含有高頻紋波)的波形. 在一個開關週期內, 具有高頻紋波的輸入電流, 取每個開關週期的平均值, 則可得到較為光滑的近似正弦波.,其工作原理如下: 電流誤差放大器的電流基準值由乘法器輸出Z供給, Z=XY. 乘法器有兩組輸入, 一個為X, 是輸出電壓Vo/H與基準電壓Vref之間的誤差(經過電壓誤差放大器VA)信號, 另一個輸入Y為電壓Vdc檢測值Vdc/K, Vdc為輸入正弦電壓Vi的全波整流值, 因此電流基準為雙半波正弦電壓. 電感電流被直接檢測, 與基準電壓比較後, 其高頻分量的變化通過電流誤差放大器, 被平均化處理. 放大後的
9、平均電流誤差與鋸齒波斜坡相比較後, 給開關Tr以PWM信號並控制Tr的占空比D(Duty Cycle). 於是電流誤差被迅速而精確的校正.,三. APFC集成控制電路的工作原理簡介 為便於研制和生產主動式有源功率因數校正器, 現在APFC的控制電路已經集成化. 有多種APFC集成控制電路芯片可供選用. 這裡以Micro Liner公司生產的ML4824芯片為例, 說明APFC集成控制電路基本組成和應用. ML4824是一顆集成PFC和PWM控制的芯片, 其PFC部分具有平均電流模式控制; 恆頻控制等特點. 1.ML4824的內部結構框圖及端子功能說明 下圖為ML4824的內部結構框圖. 由圖可
10、見, ML4824包括電流放大器IEA, 模擬平方/乘法/除法器(Gain Modulator, 以下簡稱GM), 震盪器, 功率MOS管的門極驅動器, 7.5V基準電壓, 以及軟啟動, 過流/過壓保護等. ML4824由16個端子(Pin), 依次(按序號)為: 1).Ieao: PFC IEA的輸入端, 同時外接RC網絡(網絡的另一端接Vref參考電壓), 用來作電流迴路的補償; 2).Iac; 3).Isense: 電流Sense信號的輸入, 以限制PFC電路的總電流. 一般接一Sense電阻,當電流流過此電阻時, 在Rsense上產生一壓降. 同時給Isense提供一負電壓. 電流越大
11、則負電壓絕對值越大, 當低於-1V時即|Isense|1時, PFC Ilimit將動作, 將PFC out訊號拉低, 以作PFC Ilimt保護;,4).Vrms; 5).SS: 軟啟動(Soft Start), 要求外接一電容Css, 當其被充電至8V時, PWM開始動作, 其Delay時間可由T=Css*1.25V/50uA估算出來, 如當Css=1uF時, T為25mS; 6).Vdc: PWM電壓的反餽輸入; 7).Ramp1: 外接RtCt用以設定PFC電路的開關頻率. 公式為f=1/0.51(Rt+961Ct)Ct, ML4824-2的PWM的開關頻率為PFC的兩倍, 而ML48
12、24-1的兩不部分頻率相等; 8).Ramp2: 當其工作在電壓模式時, 作為PWM輸入(即PFC的輸出)的前餽. 當PFC電壓低時增大PWM的輸出占空比(Duty cycle). 工作在電流模式時作為電流Sense輸入; 9).DC Ilimit: PWM電流的Sense, 一般用來檢測PWM MOS的電流. 當其超過1V時, 會拉低PWM的輸出; 10).GND: 接地端. 所有電壓的量測以之為準; 11).PWM out: PWM的驅動輸出; 12).PFC out: PFC out的驅動輸出; 13).Vcc: IC的供電電壓端; 14).Vref: 基準電壓端, 產生7.5V輸出;
13、15).Vfb: PFC輸出電壓的檢測端, 接VEA的負端, 用來與2.5V基準電壓比較得到Veao, 另外其在電路還有兩種功能, 當其大於2.7V時, OVP將動作, 將PFC out訊號拉低, 以作PFC過壓保護, 開機時, 當其小於2.5V時, 遲滯比較器Vin OK將PWM out訊號拉低, 以作PWM Soft Star欠壓保護(當正常工作後因Vin OK為遲滯比較器, 故Vfb即使低於2.5V, 其PWM也可正常工作); 16).Veao.,一般說來, 當交流電經EMI與橋式整流後, 其電壓電流尚未經過內部煩雜的電子電路時, 其所受之noise干擾最小, 故ML4824之GM所取的
14、電壓及電流會從此端取得. 2.ML4824 PFC邏輯及保護電路部分說明: (見ML4824的內部結構框圖) if PFC 輸出為1 (正常) = 1.2.3.4.為0; if 1.為0 = S為0 = 5.6.為0, 當Vfb過高 (高於2.7V時),OVP output為1, 即5.為1; if 5.為1 = PFC為0; 當Isense過低 (低於-1V時), PFC limit output為1, 即6.為1, if 6.為1 = PFC 為0; if PFC 輸出為1 (正常) = 1.2.3.4.為0; if 2.為0 = R為1, 即7.為1 = 8.為0; 應為9.(水平訊號)
15、與10.(三角波訊號)為比較器+端與-端之輸入, if 8.為0 = 10.9. 時動作,此即前所述PFC之leading edge. 3.ML4824應用范例 LITEON的File Server及Work Station機種中所使用的APFC芯片一般為ML4824和ML4800兩種, ML4800與ML4824功能與原理大致相同. 而在ML-4824中選用的都是ML4824-1型, 即PFC與PWM部分開關頻率相等. 下面就以PS-6191-1為例, 說明在具體線路中ML4824-1的應用.,PS-6191-1線路是一個典型的APFC電路(見附圖). 其六組輸出共計為190W, 輸入AC電
16、壓為90264V, 頻率為4763Hz, 下面針對此電路來看它的APFC是如何工作的. 首先要知道PFC的輸出電壓, 因為Vac最高為264Vac, 因PFC電壓應大於其峰值為264*=372V, 選擇380V作為PFC正常輸出電壓值. Iac和Vrms均在整流器BD050後獲取, 以減小其noise干擾. Iac通過R200, R201, R202偵測輸入電壓的相位. Vrms通過R203, R204, R205相加與R206分壓去測量輸入電壓RMS值. Vfb通過R222, R223, R224相加與R211分壓去偵測PFC輸出電壓的值, 與2.5V通過電壓誤差放大器VEA比較放大後得到Veao. 同時考慮到電壓回路的補償, Veao須外接RC網路. Veao, Vrms和Iac通過乘法/除法/平方器運算後輸出電流Im, 此電流值可以快
