CN101789684B - 一种功率因数校正器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种功率因数校正器，包括输入交流电源Vac、整流桥、PFC电感、开关管、输出整流管、输出滤波电容、负载、连续电流模式PFC控制单元、输出电压检测电路、电流采样电阻，为了使功率因数校正器能根据输出电流大小调整工作频率，该电路还包括输出电流检测放大电路、压控振荡器，所述输出电流检测放大电路连接于负载的负极和输出滤波电容的负极之间，其输出端连接于压控振荡器的输入端，压控振荡器的输出端连接于连续电流模式PFC控制单元的频率输入端。由于该功率因数校正器的工作频率受输出电流调节从而减小了其在非满载条件下的开关损耗和容性损耗，提升了功率因数校正器的平均效率。

Description

一种功率因数校正器
技术领域
本发明涉及一种功率因数校正器(PFC)，尤其涉及一种频率受输出电流调节的功率因数校正器，属于电力电子技术领域。
背景技术
计算机、通讯设备的电源采用传统的桥式整流、电容滤波电路会使AC输入电流产生严重的波形畸变，向电网注入大量的高次谐波，因此网侧的功率因数较低，仅有0.6左右，并且会对电网和其它电气设备造成严重谐波污染与干扰。早在80年代初，人们已对这类装置产生的高次谐波电流所造成的危害引起了关注。国际电工委员会IEC555-2《家用电器及类似电气设备在供电***中产生的干扰，第2部分：谐波》标准的制订与实施促使众多的电力电子技术工作者开始了对谐波滤波和功率因数校正(PFC)技术的研究。电子电源产品中引入PFC电路，就可以大大提高对电能的利用效率并把谐波污染控制在相应标准要求的范围之内。PFC有两种，一种是无源PFC(也称被动式PFC)，另一种是有源PFC(也称主动式PFC)。有源PFC(Active PFC)技术中平均电流控制下的电流连续模式功率因数校正器(CCM PFC)具有功率因数高、峰值电流小、EMI好等特点而被广泛应用。随着各种节能法规对平均效率要求不断提高，中功率的CCM PFC在非重载条件下的效率急需提升，以期满足各种节能要求。曹玲玲、陈干宏在《变电压DBPFC与BOOST PFC效率分析对与对比》(航空电源航空科技重点实验室学术年会---APSC‘2009)一文中公开了连续电流工作模式的功率因数校正器的效率分析与计算。文献中说明了传统连续模式下的功率因数校正器的主要损耗由开关组件及线路电阻的导通损耗、开关组件的开关损耗、开关元件寄生电容的容性损耗组成，其中开关损耗占其主要的成分，开关损耗与容性损耗与其工作频率成正比，导通损耗与频率无关。现有的连续模式功率因数校正器在全工作范围内均以固定工作频率工作，在固定输出电压的情况下此工作频率的最小值受限于最大输出电流和最低输入电压以及PFC电感的体积，因此在相同的PFC电感的体积情况下，固定的工作频率所引起的开关损耗与容性损耗使***在非满载情况下效率受到严重影响，在轻载时影响更为严重。
发明内容
本发明的目的在于针对现有的连续模式功率因数校正器的缺陷，提供一种根据输出电流大小来调整工作频率的连续模式功率因数校正器，减小其在非满载条件下的开关损耗和容性损耗，以提高功率因数校正器的平均效率。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种功率因数校正器，包括输入交流电源Vac、整流桥1、PFC电感2、开关管3、输出整流管4、输出滤波电容5、负载7、连续电流模式PFC控制单元9、输出电压检测电路10、电流采样电阻11组成；其中输出滤波电容5的负极定义为地，所述整流桥1的输入连接于交流电源Vac，整流桥1的输出正极串联PFC电感2的一端，PFC电感2的另一端与开关管3的漏极以及输出整流管4的阳极共接同一点，开关管3的源极接地，开关管3的栅极接连续电流模式PFC控制单元9的信号输出端，输出整流管4的阴极与输出滤波电容5的正极、负载7的正极连接，输出电压检测电路10由电阻R1、电阻R2组成，电阻R1的一端连接到输出整流管4的阴极，另一端与电阻R2的一端串联，电阻R2另一端接地，电流采样电阻11连接于开关管3的源极和整流桥1的输出负端之间，输出滤波电容5的负极连接到开关管3的源极，负载7的负极与输出滤波电容5的负极连接，上述PFC电感2两端、开关管3的源极和漏极之间、输出整流管4正负极之间各自并联一个寄生电容。为了使功率因数校正器能根据输出电流大小来调整工作频率，该电路还包括输出电流检测放大电路6、压控振荡器8，所述输出电流检测放大电路6连接于负载7的负极和输出滤波电容5的负极之间，对输出负载电流信号进行检测并处理，所述输出电流检测放大电路6输出端连接于压控振荡器8的输入端，输出一个控制信号给压控振荡器8，压控振荡器8产生一个对应频率的锯齿波Fs，压控振荡器8的输出端连接于连续电流模式PFC控制单元9的频率输入端，将锯齿波Fs输送至连续电流模式PFC控制单元9，从而控制开关管3的工作频率。
本发明的目的还可以通过以下技术措施来进一步实现：
前述一种功率因数校正器，其中输出电流检测放大电路6包括电阻Rsen2、电阻Ri3、电阻Rf1、电容Cz1、电流误差放大器U1，所述电阻Rsen2两端连接于负载7的负极和输出滤波电容5的负极之间，所述电阻Ri3的一端连接于输出滤波电容5的负极，另一端连接于电流误差放大器U1的输入负端，电流误差放大器U1的输入正端接基准电压Vref2，电流误差放大器U1的输出端连接于压控振荡器8的输入端，所述电阻Rf1、电容Cz1组成串联电路，串联电路一端与电流误差放大器U1的输入负端连接，串联电路另一端与电流误差放大器U1的输出端连接。
前述一种功率因数校正器，其中连续电流模式PFC控制单元9包括电流误差放大器U2、乘法器U3、PWM发生器U4、低通滤波器LPF、电压误差放大器VEA、输出驱动电路、平方电路X2、电阻RIAC、电阻Ri2、电阻R3、电阻Rf2、电容Cp、电容Cz2；所述电阻RIAC一端连接于整流桥1的输出正极，另一端连接于乘法器U3的第一输入端以及低通滤波器LPF的输入端，低通滤波器LPF的输出端连接于平方电路X2的输入，平方电路X2的输出连接于乘法器U3的第二输入端；电压误差放大器VEA的输入负端连接于电阻R1、电阻R2之间，电压误差放大器VEA的输入正端接基准电压Vref1，其输出端连接于乘法器U3的第三输入端；所述电阻Ri2的一端连接于整流桥1的输出负极，另一端连接于乘法器U3的输出端，电流误差放大器U2的输入负端与乘法器U3的输出端相连，电流误差放大器U2的输入正端连接于电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地，电阻Rf2与电容Cz2串联后的串联电路与电容Cp并联，该并联电路一端接于电流误差放大器U2的输入负端，另一端接于电流误差放大器U2的输出端；所述PWM发生器U4的输入负端与电流误差放大器U2的输出端相连，PWM发生器U4的输入正端与压控振荡器8的输出端连接，PWM发生器U4的输出端连接于输出驱动电路输入端，输出驱动电路输出端连接开关管3的栅极。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：由于功率因数校正器的工作频率受输出电流的调节从而减小了功率因数校正器在非满载条件下的开关损耗和容性损耗，提升了功率因数校正器的平均效率。
附图说明
图1是本发明的电路原理图。
图2是传统CCM PFC固定频率条件下其工作频率为85KHz，输入电压分别为100V、160V、264V，输出电压为390V时的效率与负载的关系曲线。
图3是本发明装置在频率受输出电流调节模式下，其最大工作频率为85KHz，最小工作频率为45KHz，输入电压分别为100V、160V、264V，输出电压为390V时的效率与负载的关系曲线。
图4是传统CCM PFC固定频率条件下其工作频率为85KHz，输出电压为390V，输出电流分别为0.3A和0.5A时的效率与输入电压的关系曲线。
图5是本发明装置在频率受输出电流调节模式下，其最大工作频率为85KHz，最小工作频率为45KHz，输出电压为390V，输出电流分别为0.3A和0.5A时的效率与输入电压的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
如图1所示，一种功率因数校正器，包括输入交流电源Vac、整流桥1、PFC电感2、开关管3、输出整流管4、输出滤波电容5、负载7、连续电流模式PFC控制单元9、输出电压检测电路10、电流采样电阻11组成，其中输出滤波电容5的负极定义为地。所述整流桥1的输入连接于交流电源Vac，整流桥1的输出正极串联PFC电感2的一端，PFC电感2的另一端与开关管3的漏极以及输出整流管4的阳极共接同一点，开关管3的源极接地，开关管3的栅极接连续电流模式PFC控制单元9的信号输出端，输出整流管4的阴极与输出滤波电容5的正极、负载7的正极连接，输出电压检测电路10由电阻R1、电阻R2组成，电阻R1的一端连接到输出整流管4的阴极，另一端与电阻R2的一端串联，电阻R2另一端接地，电流采样电阻11连接于开关管3的源极和整流桥1的输出负端之间，输出滤波电容5的负极连接到开关管3的源极，负载7的负极与输出滤波电容5的负极连接，上述PFC电感2两端、开关管3的源极和漏极之间、输出整流管4正负极之间各自并联一个寄生电容。为了使功率因数校正器能根据输出电流大小来调整工作频率，该电路还包括输出电流检测放大电路6、压控振荡器8。所述输出电流检测放大电路6连接于负载7的负极和输出滤波电容5的负极之间，对输出负载电流信号进行检测并处理，具体的输出电流检测放大电路6包括电阻Rsen2、电阻Ri3、电阻Rf1、电容Cz1、电流误差放大器U1，所述电阻Rsen2两端连接于负载7的负极和输出滤波电容5的负极之间，所述电阻Ri3的一端连接于输出滤波电容5的负极，另一端连接于电流误差放大器U1的输入负端，电流误差放大器U1的输入正端接基准电压Vref2，电流误差放大器U1的输出端连接于压控振荡器8的输入端，所述电阻Rf1、电容Cz1串联，串联电路一端与电流误差放大器U1的输入负端连接，串联电路另一端与电流误差放大器U1的输出端连接。
前述的连续电流模式PFC控制单元9具体包括电流误差放大器U2、乘法器U3、PWM发生器U4、低通滤波器LPF、电压误差放大器VEA、输出驱动电路、平方电路X2、电阻RIAC、电阻Ri2、电阻R3、电阻Rf2、电容Cp、电容Cz2；所述电阻RIAC一端连接于整流桥1的输出正极，另一端连接于乘法器U3的第一输入端以及低通滤波器LPF的输入端，低通滤波器LPF的输出端连接于平方电路X2的输入，平方电路X2的输出连接于乘法器U3的第二输入端；电压误差放大器VEA的输入负端连接于电阻R1、电阻R2之间，电压误差放大器VEA的输入正端接基准电压Vref1，其输出端连接于乘法器U3的第三输入端；所述电阻Ri2的一端连接于整流桥1的输出负极，另一端连接于乘法器U3的输出端，电流误差放大器U2的输入负端与乘法器U3的输出端相连，电流误差放大器U2的输入正端连接于电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地，电阻Rf2与电容Cz2串联，串联电路与电容Cp并联，该并联电路一端接于电流误差放大器U2的输入负端，另一端接于电流误差放大器U2的输出端；所述PWM发生器U4的输入负端与电流误差放大器U2的输出端相连，PWM发生器U4的输入正端与压控振荡器8的输出端连接，压控振荡器8将其产生的锯齿波Fs输送至PWM发生器U4，PWM发生器U4的输出端连接于输出驱动电路输入端，输出驱动电路输出端连接开关管3的栅极，这样通过锯齿波Fs控制PWM波的产生从而去控制开关管3的工作频率。
本发明采用的控制策略是一定的负载对应一定的开关工作频率，其频率与输出电流的对应关系可以是线性、非线性以及其它的对应关系，此工作频率不受输入电压大小或形状的影响。在满载情况下其工作状况和现有的连续模式功率因数校正器相同。在分析本电路之前确认以下条件成立：(1)连续电流模式PFC控制单元9为功能完整的连续电流模式功率因数校正器，其工作频率是由外部提供的。(2)电流采样方式为电阻采样。(3)负载最小电流为Imin，对应的最小工作频率为Fs_min，负载最大电流为Imax，对应的最大工作频率为Fs_max，Io为负载电流，Fs为开关管工作频率且：Imin≤Io≤Imax；Fs_min≤Fs≤Fs_max。
本发明主电路由PFC电感2、开关管3、输出整流管4、输出滤波电容5组成，其拓扑是Boost电路。交流电网电压Vac输入后经整流得到整流电压Vin，开关管3先截止，当电容充电到一定值后，开关管3开始按照PWM规律导通与截止，以控制电感内能量的储存与释放，并通过输出整流管4向输出滤波电容5充电，并传送到负载7，完成把交流电压转为直流电压的功能。控制电路由两大部分组成，一部分是连续电流模式PFC控制单元9(CCM PFC Control)，它由电压误差放大器VEA，电流误差放大器U2，乘法器U3，PWM发生器U4，低通滤波器LPF(Low pass filter)等组成；另一部分为电流控制频率单元，它由输出电流检测放大电路6(Current Detecting Unit)和压控振荡器组成。闭环***中的电压环由分压电阻网络组成的输出电压检测电路10，电压误差放大器VEA，乘法器U3，电流误差放大器U2，PWM发生器U4等组成。其形式与一般的电压控制脉冲调制技术中的电压环相似，以达到保持输出电压稳定的目的。闭环***中的电流环由电流采样电阻11、电流误差放大器U2，、PWM发生器U4组成。主电路的输出电压Vout取样值和基准电压Vref1输入给电压误差放大器VEA。整流后的电压Vin的检测值K和电压误差放大器VEA输出电压Vva共同加到乘法器U3的输入端。乘法器U3的输出信号Vm作为电流反馈控制信号的基准信号，因此电流基准信号为双半正弦波，它与输入电流Iin的检测值Iin×Rsen1比较后，经过电流误差放大器U2加到PWM发生器U4产生PWM信号，以控制Boost DC/DC变换器中开关管的通断。从而使输入电流Iin的波形与整流后的电压Vin的波形基本一致，并且同相位。这样就使得电流谐波大为减少，从而提高了功率因数。该电路的频率控制环工作过程是：输出电流检测放大电路6通过对输出负载电流的检测并处理，输出一个控制信号Vo并将此信号送至压控振荡器的输入端，压控振荡器产生一个对应频率的锯齿波Fs，锯齿波Fs信号送连续电流模式PFC控制单元9的同步信号输入端，即PWM发生器U4的输入正端，以控制开关管的工作频率。
根据曹玲玲、陈干宏在《变电压DBPFC与BOOST PFC效率分析对与对比》(航空电源航空科技重点实验室学术年会---APSC‘2009)中公开的连续电流工作模式的功率因数校正器的效率分析与计算可以知道，传统连续模式下的功率因数校正器的主要损耗由开关组件及线路电阻的导通损耗和开关组件的开关损耗以及开关元件寄生电容的容性损耗组成，其中开关损耗占其主要的成分，开关损耗与容性损耗与其工作频率成正比，导通损耗与频率无关，相关的计算的
结果如下：
1 输出整流二极管的关断损耗                  Pdiode_off＝K1·FS_pfc
2 开关管开通损耗                            Psw_on＝K2·FS_pfc
3 开关管关断损耗                            Psw_off＝K3·FS_pfc
4 开关管、输出二极管、电感的寄生电容损耗    Psw_c＝K4·FS_pfc
(K1、K2、K3、K4是与元件参数有关的系数)
由上述公式可知降低工作频率将减小总体损耗，在输出电压一定时，最小工作频率的设定受限于最大输出电流和最低输入电压以及PFC电感的体积，因此在相同的PFC电感的体积情况下，固定的工作频率所引起的开关损耗与容性损耗使***在非满载情况下效率受到严重影响，在轻载时影响更为严重。本发明利用在输出电流减小时通过PFC电感的最大峰值电流将减小，此时其磁芯可应用的交流磁感应强度将变大，从而电感的正向伏秒值允许变大，在占空比不变的情况下降低其工作频率，减小***的开关损耗和容性损耗，可以有效地改善CCM PFC功率因数校正器在非满载情况下的效率。
本发明在200W的功率因数校正器上进行实际验证，并将传统CCM PFC控制方案得到的效率与用本发明装置(频率受输出电流调节的连续模式的功率因数校正器)得到的效率进行对比。
图2是传统CCM PFC固定频率条件下其工作频率为85KHz，输入电压分别为100V、160V、264V，输出电压为390V时的效率与负载的关系曲线。
图3是本发明装置在频率受输出电流调节模式下，其最大工作频率为85KHz，最小工作频率为45KHz，输入电压分别为100V、160V、264V，输出电压为390V时的效率与负载的关系曲线。
图4是传统CCM PFC固定频率条件下其工作频率为85KHz，输出电压为390V，输出电流分别为0.3A和0.5A时的效率与输入电压的关系曲线。
图5是本发明装置在频率受输出电流调节模式下，其最大工作频率为85KHz，最小工作频率为45KHz，输出电压为390V，输出电流分别为0.3A和0.5A时的效率与输入电压的关系曲线。
从图2与图3的对比、图4与图5的对比可以发现本发明装置可以大大改善功率因数校正器在非满载条件下的平均效率。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。

Claims (3)

1.一种功率因数校正器，包括输入交流电源Vac、整流桥(1)、PFC电感(2)、开关管(3)、输出整流管(4)、输出滤波电容(5)、负载(7)、连续电流模式PFC控制单元(9)、输出电压检测电路(10)、电流采样电阻(11)；其中输出滤波电容(5)的负极定义为地，所述整流桥(1)的输入连接于交流电源Vac，整流桥(1)的输出正极串联PFC电感(2)的一端，PFC电感(2)的另一端与开关管(3)的漏极以及输出整流管(4)的阳极共接同一点，开关管(3)的源极接地，开关管(3)的栅极接连续电流模式PFC控制单元(9)的信号输出端，输出整流管(4)的阴极与输出滤波电容(5)的正极、负载(7)的正极连接，输出电压检测电路(10)由电阻R1、电阻R2组成，电阻R1的一端连接到输出整流管(4)的阴极，另一端与电阻R2的一端串联，电阻R2另一端接地，电流采样电阻(11)连接于开关管(3)的源极和整流桥(1)的输出负端之间，输出滤波电容(5)的负极连接到开关管(3)的源极，负载(7)的负极与输出滤波电容(5)的负极连接，上述PFC电感(2)两端、开关管(3)的源极和漏极之间、输出整流管(4)正负极之间各自并联一个寄生电容，其特征在于，还包括输出电流检测放大电路(6)、压控振荡器(8)，所述输出电流检测放大电路(6)连接于负载(7)的负极和输出滤波电容(5)的负极之间，对输出负载电流信号进行检测并处理，所述输出电流检测放大电路(6)输出端连接于压控振荡器(8)的输入端，输出一个控制信号给压控振荡器(8)，压控振荡器(8)产生一个对应频率的锯齿波Fs，压控振荡器(8)的输出端连接于连续电流模式PFC控制单元(9)的频率输入端，将锯齿波Fs输送至连续电流模式PFC控制单元(9)，从而控制开关管(3)的工作频率。
2.如权利要求1所述的一种功率因数校正器，其特征在于，所述输出电流检测放大电路(6)包括电阻Rsen2、电阻Ri3、电阻Rf1、电容Cz1、电流误差放大器U1，所述电阻Rsen2两端连接于负载(7)的负极和输出滤波电容(5)的负极之间，所述电阻Ri3的一端连接于输出滤波电容(5)的负极，另一端连接于电流误差放大器U1的输入负端，电流误差放大器U1的输入正端接基准电压Vref2，电流误差放大器U1的输出端连接于压控振荡器(8)的输入端，所述电阻Rf1、电容Cz1组成串联电路，串联电路一端与电流误差放大器U1的输入负端连接，串联电路另一端与电流误差放大器U1的输出端连接。
3.如权利要求2所述的一种功率因数校正器，其特征在于，所述连续电流模式PFC控制单元(9)包括电流误差放大器U2、乘法器U3、PWM发生器U4、低通滤波器LPF、电压误差放大器VEA、输出驱动电路、平方电路X2、电阻RIAC、电阻Ri2、电阻R3、电阻Rf2、电容Cp、电容Cz2；所述电阻RIAC一端连接于整流桥(1)的输出正极，另一端连接于乘法器U3的第一输入端以及低通滤波器LPF的输入端，低通滤波器LPF的输出端连接于平方电路X2的输入，平方电路X2的输出连接于乘法器U3的第二输入端；电压误差放大器VEA的输入负端连接于电阻R1、电阻R2之间，电压误差放大器VEA的输入正端接基准电压Vref1，其输出端连接于乘法器U3的第三输入端；所述电阻Ri2的一端连接于整流桥(1)的输出负极，另一端连接于乘法器U3的输出端，电流误差放大器U2的输入负端与乘法器U3的输出端相连，电流误差放大器U2的输入正端连接于电阻R3的一端，电阻R3的另一端接地，电阻Rf2与电容Cz2串联后的串联电路与电容Cp并联，该并联电路一端接于电流误差放大器U2的输入负端，另一端接于电流误差放大器U2的输出端；所述PWM发生器U4的输入负端与电流误差放大器U2的输出端相连，PWM发生器U4的输入正端与压控振荡器(8)的输出端连接，PWM发生器U4的输出端连接于输出驱动电路输入端，输出驱动电路输出端连接开关管(3)栅极。
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Denomination of invention: Power factor corrector

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License type: Exclusive License

Record date: 20140424

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