基于功率因數(shù)校正的離線式開關(guān)電源設(shè)計(jì)

離線式開關(guān)電源通常應(yīng)用整流橋和輸入濾波電容從輸入吸收能量，大電容在接近交流輸入峰值處充電以給為逆變提供能量的未經(jīng)調(diào)整的 BUS 提供能量。電容的容量必須足夠大，當(dāng)整流后半期內(nèi)線電壓低于 BUS 電壓時(shí)，僅由它向后續(xù)提供能量。

　　不幸的是，有輸入濾波電容會(huì)導(dǎo)致輸入電流波形不在是正弦，而是一很窄的峰值很高的電流波形，輸入功率僅有 0.50.65 ，嚴(yán)重的畸變導(dǎo)致電網(wǎng)污染。線電流有效值可達(dá)兩倍相同正弦電流有效值。 120V ， 15A 的線路甚至不能在不導(dǎo)致電路斷路器動(dòng)作時(shí)提供 1Kwde 輸入功率。而高功率因數(shù)校正卻能夠提供幾乎是其兩倍的功率，并且損耗很低，因此在許多領(lǐng)域內(nèi)，高功率因數(shù)校正器成為一需求。

　　本文所述的高 PFC 放置于輸入整流和 BUS 電容之間，工作頻率遠(yuǎn)大于線電壓頻率，校正器吸收正弦半波輸入電流，相位與線電壓相位相同通過 BUS 直流電壓與參考電壓的比較控制電流。

　　結(jié)果是：

　　1、 改善功率因數(shù)到 0.950.99 。

　　2、 較少諧波(如果需要可〈 3% 〉。

　　3、 無間斷運(yùn)行于 90270V 線電壓范圍。

　　4、 嚴(yán)格控制 BUS 電容，使其電壓波動(dòng)范圍很小，允許逆變器的低成本，高效設(shè)計(jì)。

　　5、 減小濾波電容，降低了成本。

　　6、 減小充電電流有效值，提高電容可靠性。

　　基本運(yùn)行原理：

　　本文假定 PFC 工作頻率為 fs=100khz ，電網(wǎng)頻率為 60hz ，校正器吸收隨正弦半波電壓成正比變化的電流以獲得功率因數(shù)接近 1 的輸入。因此在整流橋輸入端電流與電壓同相位。當(dāng)然，這只是用純電阻負(fù)載。擁有這種功能的校正電路叫做“電阻競(jìng)爭(zhēng)者”。

　　輸入電流控制通過乘法器，讓表征整流輸入線電壓波形的正弦半波與控制電壓相乘，得到 VERR ， VERR 在每個(gè)半波內(nèi)必須恒定，因此可以控制 VERR 來控制 RMS 輸入電流，以控制每半個(gè)周期從電網(wǎng)吸收的能量。 VERR 代表 VDC 與參考電壓的偏差，經(jīng)放大轉(zhuǎn)變成誤差放大器的輸出。當(dāng) VDC 低時(shí)， VERR 變大，增大輸入功率以彌補(bǔ)濾波電容上能量的損失。

　　功率變換：盡管校正器輸入電流波形時(shí)正弦波，但它的輸出電流 ichg 是個(gè)正弦的平方的函數(shù), 通過思考校正器的輸入 / 輸出功率而非輸入 / 輸出電壓可以得到各個(gè)運(yùn)行參數(shù)。假定為高輸入功率因數(shù)校正，其頻率遠(yuǎn)大于工頻，在校正器上儲(chǔ)存和消耗的能量忽略不計(jì)(電感儲(chǔ)存的能量在每個(gè)開關(guān)周期上通常大于其傳遞的能量，但是在每工頻半周期內(nèi)可以忽略)。因此輸入與輸出功率相等。

　　BOOST 電路：

　　最常用的 HPFC 電路，輸出必須總大于輸入暫態(tài)值。輸入電流不需要關(guān)斷，由于電感的存在很小，減小了線路污染和 EMI ，另外線路的 SPIKE 被電感吸收，增加了系統(tǒng)可靠性。

　　電流連續(xù)模式下，輸入電感使電流控制模式得以很好應(yīng)用以控制輸入電流正弦(電流控制實(shí)際市控制電感電流)

　　晶體的位置使得其容易驅(qū)動(dòng)，因?yàn)?S 和 E 極參考控制電路和電容的共同端。晶體最大電壓為電容電壓。

　　其最大的缺點(diǎn)是不能限流，因?yàn)槠湓谳斎牒洼敵鲩g沒有串聯(lián)開關(guān)。不能控制過載和啟動(dòng)過電流，只有通過后續(xù)逆變部分提供保護(hù)。

　　還有，當(dāng)輸入電壓比輸出電壓高的時(shí)候，其不起作用，這種情況發(fā)生在每次供電設(shè)備開機(jī)和線電壓足夠長(zhǎng)時(shí)間的紊亂的時(shí)候。軟啟動(dòng)沒有作用，因?yàn)樵谶@種情況下 BOOST 電路不運(yùn)行。晶體一直關(guān)斷，但是輸入電流將上升，其峰值將大于幾倍額定電流值，導(dǎo)致電感飽和，除非另加限流電路。

　　必須加入斜坡補(bǔ)償，以防止在 D 大于 0.5 ( VIN 〈 VDC/2 〉 時(shí)系統(tǒng)不穩(wěn)定。因?yàn)殡姼须娏麟S輸入電壓變化，所以斜坡補(bǔ)償很難控制，這個(gè)問題可以通過降低電流內(nèi)環(huán)帶寬避免，以致電感電流平均值被直接控制，而不是截取峰值電流。因?yàn)殚_關(guān)頻率遠(yuǎn)大于電網(wǎng)頻率，所以有很大的空間去控制電流環(huán)的帶寬。

　　不連續(xù)的電感電流模式不能用在 HPFC 電路中，因?yàn)樵诜逯递斎腚妷禾庪姼须娏飨陆岛苷虼思y波電流很小。但是在 HPFC 在輸入電壓峰值處，線電流也在其峰值處。擁有高峰值電流低紋波，電感電流必須連續(xù)。

　　BUCK 電路

　　由于 BUCK 電路要求輸入總大于輸出，所以其不用在 HPFC 中。在輸入電流為正弦半波時(shí)候，當(dāng)其變化的電壓數(shù)值小于 BUS 電壓時(shí)，其停止工作。雖然如此，但是 BUCK 拓?fù)湓谧鱿蘖鲿r(shí)非常有用(母線有開關(guān)管)，其可以作為 BOOST 的一個(gè)補(bǔ)充。