pfc电路分类

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开关电源是一种电容输入型电路,其电流和电压之间的相位差会造成交换功率的损失, 此时便需要PFC电路提高功率因数。目前的PFC有两种,一种为被动式PFC(也称无源PFC)和主动式PFC(也称有源式PFC)。

被动式PFC一般分“电感补偿式”和“填谷电路式(Valley Fill Circuit)” “电感补偿方法”是使交流输入的基波电流与电压之间相位差减小来提高功率因数,被动式PFC包括静音式被动PFC和非静音式被动PFC。被动式PFC的功率因数只能达到0.7~0.8,它一般在高压滤波电容附近。 “

填谷电路式”属于一种新型无源功率因数校正电路,其特点是利用整流桥后面的填谷电路来大幅度增加整流管的导通角,通过填平谷点,使输入电流从尖峰脉冲变为接近于正弦波的波形,将功率因数提高到0.9左右,显著降低总谐波失真。与传统的电感式无源功率因数 校正电路相比,其优点是电路简单,功率因数补偿效果显著,并且在输入电路中不需要使用体积大重量沉的大电感器。

而主动式PFC则由电感电容及电子元器件组成,体积小、通过专用IC去调整电流的波形,对电流电压间的相位差进行补偿。主动式PFC可以达到较高的功率因数──通常可达98%以上,但成本也相对较高。此外,主动式PFC还可用作辅助电源,因此在使用主动式PFC电路中,往往不需要待机变压器,而且主动式PFC输出直流电压的纹波很小,这种电源不必采用很大容量的滤波电容。

PFC电路按照输入电流的工作情况分为三种模式:CCM电流连续型,DCM电流不连续性和介于两者之间的是TCM临界性。

1.CCM(continuouscurrentmode)电流连续型

如下图所示为连续模式的一种类型:平均电流型。平均连续性PFC变换器开关频率固定,周期T不变,占空比随着输入电压的变化而变化,通过PFC电感器和开关MOSEFT的电流在AC线路电压的半个周期内任何时刻都不为零,而是时刻跟随电压的变化轨迹,其平均电流IAC呈正弦波,且保持和AC输入电压同相位。

PFC

根据控制方式不同,除了平均电流型以外,CCM模式还分为峰值电流控制和滞后电流控制,共同的特点就是电流连续,不存在断点。一般CCM的PFC变换器可以用于250瓦以上的开关电源,工作在CCM模式的PFC变换器有很低的谐波失真度.THD可达到5%以下。由于其电感电流不会降到零,电感电压变化较小,谐波IIR热损耗较小,有较小的电磁干扰,由于电流的变化幅度小,相比也有较小的磁芯损耗。同DCM方式相比.CCM模式电路相对复杂,而且由于MOSEFT导通不在电感电流为零的时候,二极管的反向恢复电流会产生很大的开关应力,损耗不容忽视,因此需要使用价格较高的快速反向恢复二极管以减小损耗。

2.DCM(discontinuouscurrentmode)电流不连续性

如下图所示为电流不连续性PFC电路的模式.DCM的特点是利用两个开关周期之间的电感电流存在死区。和连续性模式相比,电路设计更容易实现,由于其导通的时候电流为零,所以不必考虑升压二极管的反向恢复电流,对二极管的要求比较低。显而易见,在同样的平均输入电流下,DCM需要较高的峰值电感电流,因而需要选用大的功率器件。由于其电流变化幅度较大,峰值较高,电感有较大的磁芯.I2R热损耗较大。谐波失真度THD也比连续型模式的要大,所以电流不连续模式一般只用于相对较小功率的开关电源。和后面提到的CRM临模式相比,其主要优点是可以固定开关频率以限制最大开关频率.使前端EMI滤波器设计简单化。

PFC

3.CRM临界模式(critICalmode)

下图为不连续模式的极端情况—一临界模式CRM,输入电流处在连续和不连续的临界点,也称为BCM(boundarycurrentmode)边界型。它兼有CCM和DCM的特点,实际应用较为广泛。和DCM-样.CRM模式需要给控制电路提供一个电流过零点的反馈检测信息,但CRM模式频率可变,电流几乎没有断电。

PFC

边界模式CRM中,电流降为零时MOSFET开始导通,而在电流达到设定的参考值时.MOSFET关断.输入电流跟随输入电压变化。CRM的特点是开关频率变化,且在正弦电压过零时频率最高,在正弦电压峰值处的开关频率最低,一旦升压电感器中的电流下降为零,新的开关周期便接着开始而不存在电流死区。

CRM的缺点是在正弦弦过零附近的开关频率相当高,频率变化使EMI比较严重,需要有较复杂的输入滤波器设计。和DCM模式一样,由于开关管导通时电流为零,因此CRM可降低开关管导通损耗,可以用廉价的升压二极管。和DCM模式相比较而言,CRM峰值电感电流被限制在平均电流的2倍的数值上,低于DCM的峰值电感电流,从而可以选用电流容量较小的功率MOSFET,用较小尺寸升压电感器。

CRM模式应用广泛,工作在CRM模式的芯片比较多,诸如:飞兆(Faimhiid)半导体公司的KA7525、KA7526、KA7527,意法半导体(ST)公司的L6560、L6561、L6562、L6563,德州仪器(TI)公司的UC3852、UCC28050、UCC38050,德国西门子(SimensAG)公司的sTR4862、STR4863,三肯公司(Sanken)的STR-E1555、STR-E1565等等。值得注意的是有一些芯片,如安森美半导体(ONSemicollductor)的NCP7601可在CRM和DCM下工作,具有两种模式的优点。它在AC线路输入电压过零附近采用DCM控制方案,此时由于对开关频率进行了限制,因此容易解决EMI问题。

而在正弦波峰值附近,为避免较大的峰值电感电流,电路则采用CRM控制方法,这样可以使用参数较小的电感、MOSFET和升压二极管,不仅降低了成本,而且提高了系统的可靠性。大家知道低功率的开关电源(低于150W),常常采用CRM或DCM方案。CRM能最优化满载效率,而DCM在减少EMI方面有优势,NCP1601正是集两种方案的优点于一身。NCP1601在DCM和CRM下工作并不会使功率因数下降,因而是一种创新的控制方案。其电流波形如下图所示。

PFC

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