有源功率因数校正技术在开关电源中的应用研究

近年来，开关电源因效率高，成本低，而在各个领域获得了广泛的应用。但是采用传统的非控整流开关电源，由于输入阻抗呈容性，网侧输入电压和输入电流间存在较大相位差，加上输入电流严重非正弦，并呈脉冲状，故功率因数极低，谐波分量很高，给电力系统带来了严重的谐波污染。为此，国际电工委员会早在90年代初就制定了IEC1000-3-2标准，严格限定设备的功率因数必须接近于1，提高开关电源的功率因数已经成为国内电源厂商的当务之急。  
　　
由于输入端有整流元件和滤波电容，单相AC/DC开关电源及大部分整流电源供电的电子设备，其电网侧功率因数仅为0.65左右。采用有源功率校正技术后可提高到0.95～0.99，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率。  
　　
有源功率因数校正主要是在整流滤波和DC/DC功率级之间串入一个有源PFC作为前置级，用于提高功率因数和实现DC/DC级输入的预稳，用作PFC电路的功率级基本上是升压型Boost变换器，它具有效率高、电路简单、适用电源功率高等优点。  
　　
开关电源同时是一个重要的电磁干扰源，所以减少和抑制开关电源的电磁发射成为3C认证中的关键，也是开关电源设计中的重要课题。开关电源中的功率开关管在高频下的通、断过程产生大幅度的电压和电流跳变，从而产生强大的电磁骚扰。滤波是压缩干扰频谱的基本手段，抗EMI滤波器是EMC技术的基础元器件之一。在开关电源的滤波器设计中，磁性元件中电感的材料选取及电感取值的设定，对于开关电源的电磁兼容设计至关重要。  
　　
APFC控制技术原理  
　　
APFC技术主要采用一个变换器串入整流滤波与DC/DC变换器之间，通过特殊的控制，一方面强迫输入电流跟随输入电压，从而实现单位功率因数；另一方面反馈输出电压使之稳定，从而使DC/DC变换器的输入实现预稳。  
　　
功率因数补偿控制专用芯片MC33262的电流控制方式是峰值电流控制方式。它的基本思想是采用一个正弦基准电流作为上限，由输出检测信号经误差放大后与输入全波电压的检测信号相乘获得，下限则为零。具体过程是通过检测开关电流与正弦基准电流相比较，当达到该基准电流时关断开关，在电感电流为零时再次开通。这种控制使得电感电流为临界电流工作状态。  
　　
检测开关管流过电流，将所得电压信号送入MC33262内部的零电流比较器。该比较器电流基准值由乘法器输出供给。乘法器有两个输入，一个是变换器输出电压与基准电压之间的误差信号；另一个为全波整流后输出电压采样值。因此电流基准为双半波正弦电压，令电感电流的峰值包络线跟踪该输入电压的波形，使输入电流与输入电压同相位，并接近正弦。  
　　
当输出电压上升时，误差放大器输出电压下降，使乘法器输出的基准电流值下降，开关管的导通时间缩短，流过电感的电流下降，从而使输出电压下降。反之，使输出电压上升，以达到稳定输出电压的目的。由于乘法器输入取样来自全桥整流的输出，所以乘法器的输出和全桥整流输出电压波形的相位相同，从而使电感电流的平均值和整流输出电压同相，达到功率因数补偿之目的。  
　　
这种控制方式的主要优点：工作在电流连续状态，开关电流额定值小，电流有效值小，EMI滤波器小；比其它电流控制方法易于实现快速过流保护。需要注意的问题是：电感电流的峰值(它是控制的基准)与高频状态空间平均值之间的误差，在一定时间内相当大，以至无法满足使THD很小的要求，电源电压过零时电流失真较大；控制电路复杂，需检测开关电流；峰值对噪声相当敏感。  
　　
该功率因数校正电路同时引入电压和电流反馈，构成一个双环控制系统，具有整流和稳压功能，即整流要求输入功率因数为0.9以上，实现输入电流整形，使之成为与电压同相位的标准正弦波，稳压要求输出电压稳定。  
　　
采用MC33262构成的有源功率因数校正电路的最大特点是采用零电流导通模式控制，开关MOS管的通、断受控于MC33262芯片内的零电流检测器，当零电流检测器中的电流降为零时，MOS管导通，此时电感L开始储能，电流增加。  
　　
APFC硬件电路结构  
　　
输入端电路分析  
　　
输入瞬间电压保护  
　　
为了避免输入端电压由于雷电、电感性开关等因素的影响而产生的电压尖峰对电源造成不利影响，采用金属氧化物压敏电阻并接在交流输入端对瞬态电压进行抑制。压敏电阻起到一个可变阻抗的作用，当高压尖峰瞬间出现在压敏电阻两端时，它的阻抗减小到一个低值，消除了尖峰电压使得输入电压达到安全值。瞬间能量消耗在压敏电阻上。