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PFC电路即能对功率因数进行校正#xff0c;或者说能提高功率因数的电路。

是开关电源中很常见的电路。

在电学中#xff0c;功率因数PF指有功功率P#xff08;单位w#xff09;与视在功率S#xff08…

PFC全称“Power

Correction”意为“功率因数校正”。

PFC电路即能对功率因数进行校正或者说能提高功率因数的电路。

是开关电源中很常见的电路。

在电学中功率因数PF指有功功率P单位w与视在功率S单位VA的比值。

在初高中的电学中我们所学的功率都是以w瓦为单位其数值等于电压与电流的乘积。

实际上PUI只针对纯阻性负载才成立而对于带感性或者带容性负载P并不等于U乘以I。

只不过初高中的电学只讨论负载为纯电阻所以统一计算功率都是PUI。

对于非纯阻性负载电压与电流的乘积计算出来的其实是视在功率(用S表示)。

何为无功功率

我们知道对于电感电容不考虑内阻他们本身是不会消耗能量的储存了多少能量就会释放出多少能量有一部分能量在电感电容中循环相当于不断充放电。

这部分能量由于没有被消耗掉所以就可以理解为没有对外做功这部分能量的功率我们就称之为无功功率单位var。

它们成三角函数关系

注意如果电压电流为同频率的正弦波功率因数角刚好等于电压与电流的相位差。

当负载为纯容性负载电流相位超前电压90°

其中I1表示1次谐波电流大小、In表示n次谐波电流大小。

谐波畸变也会对电网造成影响包括RFI、EMI。

为什么要提高功率因数

所以输电线上的电流越小损耗就越小。

当用电设备从电网取电其消耗的有功功率和无功功率都来自电网无功功率对用电设备来说是没有做功的但是在电网上传输就会产生损耗。

无功功率越大发电厂和输电系统就多了很多无效的负担甚至会影响电力系统的稳定性。

所以为了减小电网的无功负担以及减少电网的多次谐波国家标准基本对各种用电设备都有PF及THD值的限定要求。

开关电源也不例外否则开关电源对电网的污染非常严重(来自高频开关电流及滤波电容)。

市电的电压为220V、50Hz的正弦波形所以电网最希望开关电源输入电流也是正弦波形而且跟电压同相位。

可以看到输出电流变成了锯齿波相对于正弦的输出电压电流畸变非常严重对应的谐波失真THD值就很大更别说功率因数。

造成该现象的原因就是输出电容。

整流桥整流后的波形为馒头波只有当整流后的电压大于电容电压时才会有电流流过整流桥的二极管。

而输出电容电压无法突变当输入电压达到峰值后电容电压也会充电到峰值。

当输入电压下降电容电压并不会跟随下降负载会消耗其能量使其电压降低。

另外由于电容的伏安特性流过电容的电流与其两端电压的变化率成正比。

即

如果把输出电容断开输入电流就是标准的正弦波了。

但是输出电压就也成了正弦波。

显然输出电容是必不可少的那就要用其他办法来对电流进行整容了。

PFC分为有源PFC与无源PFC或者叫主动式PFC与被动式PFC。

无源PFC其实就是通过对无功功率进行补偿来提高功率因数。

容性负载串联电感感性负载并联电容都能对无功功率进行补偿。

无源PFC对功率因数提高的效果有限0.8已经是极限了而且体积一般很大。

所以要求高的开关电源都会采用有源PFC例如车载充电机充电桩。

有源PFC又叫主动式PFC一般由专门的IC进行控制例如UCC28180、NCP1654、UC3854等常把这种方式称为模拟控制。

近年来很多开关电源开始使用数字控制即

使用DSP来采样、计算环路、发波。

不管数字控制还是模拟控制控制原理都是一样的。

都是通过对输入电压电流采样控制开关管的通断让输入电流跟随输入电压变化实现功率因数的校正。

当然也采样输出电压以稳定输出电压。

不同的内部逻辑在电路设计时会有略微不同。

一般在其手册可查询IC内部框图。

如下是TI德州仪器生产的PFC控制器UC3854的内部功能框图。

这是一款连续单周期控制方式的IC。

校正前▲

有源PFC的主电路拓扑结构有很多这里我只介绍下面这种由桥式整流与boost组成的拓扑结构。

这种结构是最常用的电路之一还有一种无桥图腾柱PFC使用也很广泛这里暂不介绍。

桥式整流不用多说正弦电流输入经过D1、D2、D3、D4构成的整流桥整流得到馒头波。

注意整流桥后没有并联大容量滤波电容。

boost电路原理

当Q1关断电流通过D5流向电容C与负载电容电压升高至输入电压的峰值。

当Q1导通Q1的内阻很小相当于短路。

此时二极管D5截至电容C的电流只能流向负载电容电压下降环路3。

而电感L1的存在使电流无法突变而是慢慢增加环路2。

在很短的时间内几个usQ1再次关断电感电流L1电流无法突变只能通过环路1流通。

而且此时L1两端产生感应电压UL反电动势其方向与整流后的输入电压U1方向相同。

所以此时电容电压等于输入电压L1感应电压。

正是该原因所以boost的输出能比输入电压高

boost电路的输出电压与驱动Q1的PWM占空比有关系占空比越大输出电压越高。

调节占空比有很多方式比如保持频率不变同时改变Ton与Toff或者保持Ton不变改变Toff时或者保持Toff不变改变Ton。

具体的方式取决于IC内部逻辑。

当然单单一个boost升压电路还不能实现功率因数校正现在我们回到PFC的控制方式讲讲PFC到底是如何实现让电流跟随电压的。

下面是PFC的控制逻辑框图展示的是连续型平均电流跟踪法其他方式暂不详说原理类似

原理首先采样输出电压值Vout与输出电压基准值Vref即想要的输出电压值作差计算出输出电压误差值。

然后经电压环调节后面我将以PI控制器进行调节输出一个系数K。

这个K值只是一个计算中间量无实际意义。

将K值与输入电压相乘计算出电流基准值因为电压是正弦的所以电流基准值也是正弦变化的。

这个电流基准值就是期望的电流波形。

期望的电流波形与输入电压是同相位、同频率的正弦波只要让输入电流沿着期望的电流波形变化不就能实现功率因数校正的目的了。

所以我们将实际的输入电流与期望的电流作差计算出电流误差值然后经过电流环调节后面将使用PI控制器进行调节计算出合适的占空比再经过PWM发波器输出占空比变化的PWM波从而控制Q1的开关就能实现电流跟随电压了。

需要注意电流并不是”平滑“的跟随电压而是以Q1的开关频率“快速抖动”地跟随。

CH2输入电流

K乘以输入电压得到的是电流可以推出KI/U。

而I/U计算的是电导即电阻的倒数说明K值与输出端的负载R存在某种关系。

50Hz正弦波用数学表达式表示为U220sin100π其理想中的输入电流应为IU/R110sin100π。

计算出来的K值为1/2

假如R为1.1Ω此时的电流应为200sin100π计算的k值为1/1.1。

所以可以得出结论K值与输出端的负载R的倒数有正相关性。

在负载处于稳态时K1/R。

当输出电压低于输出电压基准值PI控制器会调大K值输出电流变大输出电压上升直到等于电压基准值。

观测输入电流会发现波峰慢慢变大直到稳定。

当输出电压高于输出电压基准值PI控制器会调小K值输出电流变小输出电压下降直到等于电压基准值。

观测输入电流会发现波峰慢慢变小直到稳定。

在这两个环路中电流环必须足够快因为输入电压已经是以50Hz的频率变化如果电流环太慢很难跟上电压变化造成电流畸变。

而电压环需要慢否则会因为K值变化过快使得电流环无法跟踪同样引起电流畸变。

在sinlink中建模如下

建模完成之后就可以调PI参数了。

仿真解算器ode23tb仿真时间0.5S

首先是电流环的调节为了避免电压环对电流环的调节产生干扰直接设定一个固定的K值改线路如下

这里我设置为0.5。

当k0.5IU*K110sin100π。

调节PI参数直到输入电流波形为该函数形式。

最终效果如下

电脑性能不强的要注意了如果电流环Kp值设置越大仿真越慢所以差不多就行了。

另外实际上的PFC电路输入电流波形两端其实也会有明显的小平台参考前面的实测图。

还有一个调试小技巧电流环的积分环节可以不调因为电压环会自动对电流环的静态误差进行补偿。

注意我这里将电流环PI控制器的输出限制在0-0.95以模拟实际的PFC驱动PWM占空比。

电压环的调节在我前面的文章讲过《反激式开关电源输出电压的PID控制》调节方法基本一样这里就不详细讲了。

先将Ki设为0初设一个Kp值试探一下观察输出电压是否有振荡、过冲有则调小至不发生震荡为止。

然后保持Kp值不变调Ki值。

同样初设一个值观察输出是否有震荡有震荡则调小。

若无震荡但是上升到基准值即400V的时间很长则调大Ki。

直到输出电压既不发生震荡过冲又能快速上升到设定值。

不过这里需要注意不能太大否则输入电流会畸变。

调试时也要观察一下输入电流波形是否异常。

输入电压电流波形

50Hz的电流所以输出不可避免会有工频纹波如上输出电压波形。

我们来测量一下纹波电压电压峰峰值。

一般来说开关电源直流输出的纹波系数要求小于5%所以上面的纹波系数是符合要求的。

由于输出电压纹波存在所以电压环调节出来的系数K也会以工频变化这可能会导致整个系统不稳定所以我们可以对输出电压采样信号进行滤波处理后滤除100Hz的波形再进行误差计算这里就不展示了。

调试电压环时也要注意分辨是震荡还是纹波。

其他说明

这是因为输出滤波电容在充电导致的零状态响应。

实际上的电路由于电容的寄生电阻以及线路上的电阻其电流尖峰不会这么大。

不过为了避免这么大的电流击穿PFC二极管D5一般会通过下面的电路来给电容预充电

即在PFC和二极管两端并联一个串有二极管的热敏电阻RT。

可自行验证效果。

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本文主要目的是为了理解PFC电路的工作原理所以没有对环路进行任何传递函数的分析。

在实际电路设计中还需进行环路参数的理论计算以确保环路的稳定性。

另外主电路的关键器件参数这里也没进行严格的计算所以以上参数只供学习不代表实际电路可行由于上述参数造成的损失概不负责。