有源功率因數(shù)校正APFC之電路應(yīng)用分析

摘 要：近年來(lái)集成電路控制的有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)成為提高功率因數(shù)行之有效的方法，本文主要介紹了有源功率因數(shù)校正電路（APFC）的工作原理，并基于L6562芯片設(shè)計(jì)了一種實(shí)際應(yīng)用的有源功率因數(shù)校正電路，分析了該電路的工作原理，著重說(shuō)明了L6562外圍電路的參數(shù)選擇與設(shè)計(jì)，與以前采用的功率因數(shù)補(bǔ)償電路相比較，該電路簡(jiǎn)單，功率因數(shù)補(bǔ)償效果顯著，電流的總諧波失真（THD）小于10%，功率因數(shù)可以大幅提高到0.99以上；一個(gè)設(shè)計(jì)良好的APFC應(yīng)用電路，能達(dá)到延長(zhǎng)電氣產(chǎn)品壽命、減少用電設(shè)備對(duì)電網(wǎng)的干擾、提高用電效率的目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù) 有源功率因數(shù)校正 L6562 電路應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TM712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2015）01（b）-0093-04

傳統(tǒng)的AC-DC電源轉(zhuǎn)換電路，一般由抗電磁干擾EMI電路、整流橋整流后電解電容濾波組成。為保證需要的穩(wěn)定的直流電壓，采用大容量的電解電容，導(dǎo)致流經(jīng)整流二極管的電流非典型的正弦波而是斷續(xù)導(dǎo)通，形成大量的多次諧波，導(dǎo)致交流電網(wǎng)電壓畸變。隨著大功率電子設(shè)備及產(chǎn)品的廣泛使用，電網(wǎng)受到諧波電流和諧波電壓的污染日益嚴(yán)重，功率因數(shù)低，導(dǎo)致電能利用效率降低。

功率因數(shù)校正電路，又根據(jù)英文名稱簡(jiǎn)稱為PFC（Power Factor Correction）電路，采用設(shè)計(jì)良好的PFC電路，可提高整個(gè)電路的功率因數(shù)，進(jìn)而有效提高電網(wǎng)的供電質(zhì)量，改善用電設(shè)備的用電環(huán)境，保障設(shè)備的使用安全及提高設(shè)備的使用壽命，并可節(jié)約電能，減少電費(fèi)開(kāi)支。同時(shí)可減少電網(wǎng)的功率損失，提高電網(wǎng)的輸電效率。

1 功率因數(shù)校正電路的技術(shù)發(fā)展

以前通常采用無(wú)功補(bǔ)償﹑無(wú)源﹑有源濾波器等方法改善電網(wǎng)環(huán)境。傳統(tǒng)的功率因數(shù)校正方法，為縮小電源輸入的電流波形與電壓之間相位差，通過(guò)外加合適的感、容元器件，可提升功率因數(shù)到0.7～0.8。改進(jìn)的PPFC功率因數(shù)校正電路稱為無(wú)源功率因數(shù)校正，其特點(diǎn)是利用整流橋后面的PPFC電路來(lái)大幅度增加整流管的導(dǎo)通角，使輸入電流從尖峰脈沖變?yōu)榻咏谡也ǖ牟ㄐ?，功率因?shù)能提高到0.9；與傳統(tǒng)的電感式無(wú)源功率因數(shù)校正電路相比，其優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)單，功率因數(shù)補(bǔ)償效果顯著，并且在輸入電路中不需要使用體積大重量沉的電感器件。但也存在著整流輸出電壓隨電網(wǎng)電壓波動(dòng)而波動(dòng)，影響產(chǎn)品的性能和壽命，以及電路中總體諧波含量仍較大的問(wèn)題。

近年來(lái)，集成電路控制的有源功率因數(shù)校正（APFC）技術(shù)成為提高功率因數(shù)行之有效的方法，有源功率因數(shù)校正電路可以很好的解決以前功率因數(shù)矯正電路存在的問(wèn)題，電流的總諧波失真（THD）可以小于10%，功率因數(shù)可以大幅提高到0.99以上，因而在越來(lái)越多的產(chǎn)品中得到應(yīng)用。

2 帶有APFC電路的直流電源

2.1 帶有APFC電路的電源功能框圖如下

有源功率因數(shù)校正電路產(chǎn)品中，輸入電源通過(guò)EMI電路濾波、橋式整流后，通過(guò)有源功率因數(shù)校正電路后升壓為380V左右的直流電壓，為電氣設(shè)備的應(yīng)用電路提供各種穩(wěn)定的直流電源。

2.1.1 APFC功率因數(shù)校正電源電路

下圖2為APFC功率因數(shù)校正電源電路的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖，使用典型的BOOST升壓型開(kāi)關(guān)電路。

3 L6562的功能介紹

3.1 L6562的芯片電路結(jié)構(gòu)

目前普遍使用的APFC集成電路很多，主要是美國(guó)國(guó)際整流器公司（International Rectifier）IR的MC33262、意法半導(dǎo)體公司（ST）的L6561/L6562等。現(xiàn)就ST公司的L6561/L6562的應(yīng)用進(jìn)行說(shuō)明，該IC內(nèi)部框圖如下。

3.2 L6562的引腳及其引腳說(shuō)明

3.3 L6562功能說(shuō)明

3.3.1誤差放大器及過(guò)壓檢測(cè)模塊（見(jiàn)圖5、圖6）

集成電路1腳INV為誤差放大器的反相輸入端，PFC輸出直流電壓通過(guò)電阻分壓后，反饋的分壓電壓加到這個(gè)引腳，通過(guò)該引腳與內(nèi)部的誤差放大器（-）端相連，誤差放大器（+）端接基準(zhǔn)電壓2.5V。誤差放大器通過(guò)比較輸出反饋信號(hào)電壓和基準(zhǔn)電壓，同時(shí)將差值信號(hào)放大后通過(guò)控制開(kāi)關(guān)管通斷維持輸出電壓穩(wěn)定。 IC 2腳COMP是誤差放大器的輸出引腳。該引腳和1腳INV之間連接一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，確保電壓控制環(huán)路的穩(wěn)定性，以獲得高功率因數(shù)和整個(gè)電路較低的整體諧波含量THD.， IC 1腳同時(shí)具有過(guò)壓檢測(cè)功能。輸出電壓瞬態(tài)過(guò)壓時(shí)，連接到1、2腳之間補(bǔ)償電容的由瞬態(tài)電流增大，電流到37uA時(shí)，通過(guò)乘法器控制降低開(kāi)關(guān)管打開(kāi)時(shí)間以減少輸出電壓數(shù)值。如果輸出電壓異常偏高，導(dǎo)致該電流超過(guò)40uA時(shí)，1、2之間電容通過(guò)電流比較器檢測(cè)后關(guān)斷開(kāi)關(guān)管，確保輸出電壓不出現(xiàn)過(guò)壓的異常狀態(tài)。

3.3.2 零電流檢測(cè)和觸發(fā)模塊（見(jiàn)圖7）

過(guò)零電流采樣信號(hào)由升壓變壓器上二次繞組產(chǎn)生。當(dāng)升壓變壓器繞組內(nèi)電流接近零時(shí)，觸發(fā)IC內(nèi)部MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)管MOSFET導(dǎo)通。

3.3.3 乘法器模塊 （見(jiàn)圖8）

整流橋整流后電壓通過(guò)分壓電阻分壓后加到3腳，用于為乘法器輸入端提供正弦波參考信號(hào)，乘法器的另一輸入端接誤差放大器的輸出信號(hào)，乘法器輸出的波形為整流過(guò)的正弦波。通過(guò)連接在開(kāi)關(guān)管MOSFET源極S與GND之間的電阻RS檢測(cè)流過(guò)開(kāi)關(guān)管MOSFET的電流，該檢測(cè)電壓信號(hào)連接到4腳，與IC內(nèi)部乘法器產(chǎn)生的正弦波信號(hào)相比較后，決定MOSFET的關(guān)閉，控制開(kāi)關(guān)管的峰值電流。

3.3.4 電流比較器和PWM鎖存器及開(kāi)關(guān)管保護(hù)功能（見(jiàn)圖9）

通過(guò)連接在開(kāi)關(guān)管MOSFET源極S與GND之間的電阻RS檢測(cè)流過(guò)開(kāi)關(guān)管MOSFET的電流，信號(hào)通過(guò)腳4加到電流比較器，通過(guò)和乘法器的輸出信號(hào)進(jìn)行比較，來(lái)決定外部MOSFET的關(guān)斷時(shí)間。為避免干擾，將比較信號(hào)進(jìn)行鎖存。同時(shí)乘法器的輸出信號(hào)端連接有1.7V的穩(wěn)壓管，當(dāng)取樣電阻RS上的電壓超過(guò)1.7V時(shí)，直接關(guān)斷開(kāi)關(guān)MOS管，起到保護(hù)開(kāi)關(guān)管的作用。

3.3.5 開(kāi)關(guān)管MOSFET 驅(qū)動(dòng)模塊（見(jiàn)圖10）

集成電路IC7腳為開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)腳，該端高電平時(shí)開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，低電平時(shí)，開(kāi)關(guān)管截止。

4 ST L6562的實(shí)用電路設(shè)計(jì)

4.1 實(shí)用電路圖

4.1.1電路說(shuō)明

上圖是L6562的實(shí)用電路，220VAC市電經(jīng)過(guò)電容CX1、CX2與共模電感T1組成的EMI電路后，通過(guò)整流橋BD1整流，整流后通過(guò)主要由升壓變壓器T2、PFC IC U1（L6562）、開(kāi)關(guān)MOS管M1、升壓二極管D2組成的APFC電路及電解電容C18濾波后輸出400V直流電壓為后面應(yīng)用電路提供穩(wěn)定的400V直流供電。

4.2 L6562外圍電路基本參數(shù)設(shè)計(jì)說(shuō)明：

4.2.1 IC供電電壓

電路通過(guò)L6562的8腳VCC為集成電路提供15V左右的直流工作電壓，該直流電壓通過(guò)IC內(nèi)部的電壓調(diào)節(jié)器為芯片內(nèi)部供給所需電壓。Vcc的提供可采用兩個(gè)方法。一可以通過(guò)升壓變壓器的零電流取樣繞組提供。二可以通過(guò)直流400V應(yīng)用電路。所提供電壓通過(guò)15V穩(wěn)壓管D1穩(wěn)壓，確保集成電路L6562電源電壓的穩(wěn)定。

4.2.2正弦波波形取樣電路

通過(guò)整流橋整流后的電壓通過(guò)電阻R11A、R11B、R11C、R12組成的分壓取樣電路，在電阻R12形成正弦波波形取樣電壓信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)電容C12抗干擾濾波后接入L6562的3腳（MULT）。分壓電路設(shè)計(jì)中，因每個(gè)SMD0805貼片電阻最大耐壓150V，使用R11A、R11B、R11C三個(gè)貼片電阻，確保分壓電路安全可靠。

4.2.3電流過(guò)零檢測(cè)電路

當(dāng)升壓變壓器繞組內(nèi)電流接近零時(shí)，升壓變壓器內(nèi)電流過(guò)零檢測(cè)是通過(guò)升壓變壓器的二次繞組采樣后，經(jīng)過(guò)電阻R16送到U1 L6562的5腳（ZCD），觸發(fā)IC內(nèi)部MOSFET驅(qū)動(dòng)電路，驅(qū)動(dòng)開(kāi)關(guān)MOS管M1導(dǎo)通。

4.2.4 開(kāi)關(guān)MOS管電流檢測(cè)

電阻R29用于檢測(cè)開(kāi)關(guān)MOS管電流，MOS管電流大小通過(guò)該電阻后，產(chǎn)生檢測(cè)電壓輸送到U1（L6562）4腳（CS），通過(guò)IC內(nèi)部乘法器產(chǎn)生的信號(hào)比較后控制開(kāi)關(guān)管M1關(guān)斷。

4.2.5輸出電壓反饋電路

電阻R21與電阻R18A～D構(gòu)成輸出電壓分壓采樣電路，R21上的輸出采樣電壓直接加到U1（L6562）1腳（INV），通過(guò)U1內(nèi)部電路將輸出電壓維持在穩(wěn)定的400VDC。

分壓電阻根據(jù)以下公式進(jìn)行設(shè)定：

如根據(jù)設(shè)計(jì)需要更改輸出電壓數(shù)值，可參照以上公式進(jìn)行參數(shù)變更。為保證產(chǎn)品耐壓，R18A～D 設(shè)計(jì)中使用4個(gè)SMD0805貼片電阻，如更換為SMD1206貼片電阻，數(shù)量可以使用3個(gè)。

4.2.6 反饋補(bǔ)償電路網(wǎng)絡(luò)

U1（L6562）2腳（COMP）和1腳INV之間連接一個(gè)C2（1uF）作為誤差放大器輸出端與輸入端之間反饋補(bǔ)償，用于維持電路的穩(wěn)定性。不同功率的電路，可通過(guò)調(diào)整反饋電容容量，確保電壓控制環(huán)路的穩(wěn)定性及獲得高功率因數(shù)和整個(gè)電路較低的整體諧波含量THD。對(duì)于功率大于100W的電路，可在C2兩端并聯(lián)一阻容網(wǎng)絡(luò)更好的改善電路的功率因數(shù)。

5 結(jié)語(yǔ)

以上是對(duì)有源功率因數(shù)APFC應(yīng)用電路的基本分析，一個(gè)良好的APFC電源電路，需要參照選用的集成電路要求進(jìn)行綜合設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)良好的APFC電路，最終能達(dá)到延長(zhǎng)產(chǎn)品壽命、減少產(chǎn)品對(duì)電網(wǎng)干擾、提高用電效率達(dá)到節(jié)能的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)

[1]毛興武，祝大衛(wèi).功率因數(shù)校正原理與控制IC及其應(yīng)用設(shè)計(jì)[M].北京：中國(guó)電力出版社，2007：：15-67.

[2]芯片資料：L6562 TRANSITION-MODE PFC CONTROLLER，ST CORPORATION DATASHEET

[3]芯片資料：L6561POWRE FACTORCORRECTOR，ST CORPORATION DATASHEET