AC/DC前端转换器模块中功率因数校正技术介绍

根据定义，交流电 源的功率因数（PF）定义为流入负载的实际功率（瓦）与电 路中的视在功率之比，它是电 流和电 压的乘积。它表示为PF =实际功率（W）/视在功率（VA）。 PF方程表明它是介于0和1之间的数字。因此，当电 流和电 压同相和正弦时，PF为1.但是，如果两者都是正弦但不同相，则视在功率大于实际值。功率和PF是电 流和电 压波形之间的相角的余弦。在实践中，PF = 1是负载是纯电 阻和线性的理想情况。实际上，电 子系统中的离线AC/DC电 源是开关模式，呈现非线性负载。

由于目前大多数电 源都是开关模式，因此它们会产生非正弦波形，从而产生输入电 流和电 压之间的相位角。当电 流波形不跟随电 压波形时，它会导致PF低于1.除了功率损耗之外，《1 PF会导致谐波沿中性线传播并破坏连接到交流电 源线的其他设备。 PF数越低，AC线上的谐波含量越高，反之亦然。因此，有严格的规定来限制交流电 源线上允许的谐波失真。例如，欧洲的EN61000-3-2 ［1］被引入以限制将电 子设备反射的谐波发送回电 源。它适用于所有D类电 子系统，如PC（包括笔记本电脑和PC显 示 器），以及消耗超过75 W的无 线 电和电视接收器.D类是四类（A，B，C和D）之一按EN61000-3-2标准分类，该标准对每个等级施加不同的谐波电 流限制。该标准现已在国际上被接受。

为了符合EN61000-3-2等法规的谐波要求并保持较高的整体PF性能，有必要在电 子系统中使用的AC/DC前端转换器模块中加入功率因数校正（PFC）功耗超过75 W.实现PFC可实现高PF值并确保低谐波。正如我们将要看到的，目前有许多无源和有源技术可用于AC前端采用的众多电 源拓扑结构。

无源PFC

如安森美半 导 体公布的功率因数校正手册第一章所述［2］，控制谐波电 流的最简单方法是使用仅在线路频率下通过电 流的无源滤 波 器（例如，50或60赫兹）。该滤 波 器降低了谐波电 流，这意味着非线性器件现在看起来像线性负载。使用内置电 容 器和电 感器的滤 波 器，功率因数可以接近一致。然而，缺点是滤 波 器需要大值的高电 流电 感器和高压电 容 器，其体积大且昂贵。

图1显示了三种不同250 W PC电 源的输入谐波，与根据EN/IEC61000-3-2 D类设备规范的限值进行了比较。谐波幅度与这些设备的输入功率成比例。如图所示，无源PFC的性能几乎不符合三次谐波的限制。带有源PFC的单元符合并优于IEC61000-3-2规范。

图1：相比之下，带有源PFC控制器的电 源优于被动式PFC超过电 源线谐波的IEC61000-3-2规范。 （由安森美半 导 体公司提供。）尽管设计和使用简单，但无源PFC电 路有一些缺点。首先，电 感器的体积限制了它在许多应用中的可用性。其次，对于全球运行，需要线电 压范围开关。如果没有正确地进行开关选择，则开关的结合使得器具/系统易于发生操作员错误。最后，未被调节的电 压轨导致在PFC级之后的DC/DC转换器的成本和效率损失。

有源PFC

除性能外，铜和磁芯材料的成本上升，加上半 导 体成本的下降，使得有源PFC解决方案的平衡趋于平衡，即使在对成本最敏感的消费设备中也是如此。在下面的方案中（图2），有源PFC电 路放置在输入整流器和存储电 容之间，然后是DC/DC转换器。具有相关电 路的PFC IC对输入电 流 进行整形，以匹配输入电 压波形，实现0.9和更高的PF。

图2：有源PFC控制器电 路位于输入整流器和存储电 容之间。 （由安森美半 导 体提供。）从根本上说，有三种不同类型的有源PFC控制器芯片。这些包括临界传导模式（CrM），连续传导模式（CCM）和不连续传导模式（DCM）。有几家制造商提供各种这些有源PFC IC，但每个供应商都提供自己的版本和使用它们的理由。

CrM控制方案将电 感电 流保持在连续和不连续传导之间的临界极限。因此，一些供应商更喜欢将其称为边界传导模式或BCM。由于在该方案中总是知道波形，所以平均电 流和峰值电 流之间的关系也是已知的。安森美半 导 体为高达300 W的中等功率应用提供各种电 压模式CrM PFC IC。此类别中的最新产品是MC34262/MC33262控制器。

另一家CrM PFC控制器供应商是F airchild Semiconductor。其FAN6920MR在单个封装中集成了CrM PFC控制器和准谐振P W M控制器。对于PFC，FAN6920MR使用受控的导通时间技术来提供稳定的DC输出电 压，以及执行功率因数校正。

由于峰值电 流应力较低，同时纹波电 流减小，滤波任务更容易，因此CCM控制在许多应用中广泛使用，范围从中等功率到高功率应用。一些提供基于CCM的PFC控制器的主要供应商包括F a i r c h i l d   S e m i c o n d u c t o r，I n f i n e o n   T e c h n o l o g i e s，I n t e r n a t i o n a l   R e c t i f i e r，N X P   S e m i c o n d u c t o r，O N   S e m i c o n d u c t o r，P o w e r   I n t e g r a t i o n s和T e x a s   I n s t r u m e n t s。

在DCM空间（也是中低功率应用的首选）中，C irrus Logic采用数字技术创建了一种非连续模式有源PFC控制器，无需多个无源元件即可实现低成本适用于PC，笔记本适配器和数 字 电 视接收器的PFC解决方案。 CS1500（图3）采用可变导通时间和可变频率算法，以实现接近单位功率因数和低EMI辐射，从而简化EMI滤波。

图3：C irrus Logic的数字PFC控制器执行自适应数字算法，将交流电 源输入电 流波形整形为与输入电 压波形同相。