NCP1650型功率因数校正器的工作原理

摘要：利用有源功率因数校正技术可以大大提高电能利用率，降低线路损耗，减小电网的谐波污染，提高电网质量。介绍了美国Onsemi公司最新推出的NCP1650型功率因数校正集成电路的性能特点及工作原理。

关键词：有源功率因数校正器；平均电流式；功率乘法器；基准乘法器

NCP1650是美国Onsemi公司于2002年3月新推出的功率因数校正集成电路专利产品，可对85～265V、50Hz或60Hz交流电源系统的功率因数进行自动校正，大大提高电能利用率，达到节能目的。NCP1650采用固定频率、平均电流式脉宽调制器，可广泛用于服务器等设备的交流电源系统中，并可作为分布式电源系统的前端校正器，构成1kW以下的功率因数校正器，功率因数可达0.95～0.99。

1功率因数校正器概述

目前，在开关电源、电子镇流器、交流变频调速器等装置中的AC／DC变换器，都是由桥式整流器与电容滤波器构成的。由于大容量滤波电容器的存在，使得整流二极管的导通角变得很窄，仅在交流电压的峰值附近才能导通，致使交流电流产生严重的失真，变成了尖峰脉冲。这种电流波形中包含了大量的谐波分量，经滤波后输出的有功功率就会显著降低。因此，普通AC／DC变换器的功率因数很低，只能达到0.6左右。交流供电设备的功率因数是在电流波形无失真情况下定义的。造成功率因数降低的原因有两个：一是电流波形的相位漂移，二是电流波形存在失真。相位漂移通常是由电源的负载性质（感性或容性）而引起的，在这种情况下对功率因数的分析相对简单，一般可用公式cosα=P／UI来计算。但是当电流波形存在失真时，分析起来就比较复杂，通常需要用计算机来仿真或者用交流分析仪来测量功率因数（λ）值。

对功率因数校正前、后的波形比较如图1所示。图1（a）为未进行功率因数校正的普通隔离式电源变换器的电压与电流波形图，其电流波形已严重失真。图1（b）为进行功率因数校正后的u、i波形图，其电流波形无失真且与电压波形的相位保持一致。导致电流波形失真的主要原因是交流电经过整流后的电流不能跟随电压波形的变化。而功率因数校正器的作用就是强迫线电流能跟随线电压波形的变化，它不仅能提高交流电源变换器的功率因数，还可以抑制谐波，减小峰值电流和有效值电流，消除基波的相位漂移。

传统的功率因数概念是基于线性负载条件得到的，它要求交流设备中的电压与电流为相同频率的正弦波，因此可通过在感性负载两端并联移相电容来校准功率因数，这种方法被称作无源功率因数校正。但无源功率因数校正器存在着局限性，它不仅体积庞大、笨重、价格高，而且只对基波的相移加以补偿。它仅对某些特定的谐波具有抑制作用。

（a）校正前

（b）校正后

图1功率因数校正前、后的波形比较

目前在电力电子设备及开关电源中，存在着大量的非线性负载（AC／DC变换器中的桥式整流滤波器即是最典型的例子），这时传统的无源功率因数校正已难于胜任。为了适应电力电子技术的发展，自20世纪90年代以来，有源功率因数校正APFC（ActivePowerFactorCorrection）技术得到迅速推广。它是在桥式整流器与输出电容滤波器之间加入一个功率变换电路，将输入电流校正成与输入电压相位相同且不失真的正弦波，使功率因数接近于1。交流输入电压经桥式整流后，得到全波整流电压uL（亦称线路电压），再经DC／DC变换后，通过控制器使线路电流的平均值（Iavg）能自动跟随全波整流电压基准（uREF）的变化，并获得稳定的直流高压输出（通常UO=＋400V），给负载提供直流电压源。

有源功率因数校正器主要包括乘法器和电流控制器。早期的有源功率因数校正器是用分立元件构成的。近年来各种集成功率因数校正器已大量投放市场，其控制功能和技术指标也在不断提高。由美国Onsemi公司最新推出的NCP1650型功率因数校正器集成电路，是一种性能优良的APFC芯片。

2NCP1650型功率因数校正器的性能特点1）它采用基于固定频率的平均电流式脉宽调制器，能精确地设定输入功率和输出电流的极限值，适合构成从100W至1kW的功率因数补偿器。其交流输入电压范围是85～265V，适用于50Hz或60Hz电网频率。PFC的直流输出电压被设定为400V（额定值），能满足UO>umax的条件。

2）NCP1650被设计成“真功率（TruePower）”限制电路。所谓真功率，是指电源系统在交流电的一个周期内所消耗的平均功率。NCP1650即使工作在恒功率模式，也能保持很高的功率因数。

3）内部使用了功率乘法器和基准乘法器，与传统的线性模拟乘法器相比，能显著提高运算精度。利用锯齿波补偿电路和平均电流补偿电路，可对线路及负载进行快