SciTech-EECS-Circuits-Power-Switching Power-PFC(Power Factor Correction,功率因数矫正): PFC电路的作用及其原理 + 无桥PFC(四只MOS管取代全桥整流) + 三相Vienna(维也纳)PFC

SciTech-EECS-Circuits-Power-Switching Power-PFC(Power Factor Correction,功率因数矫正)

1. AC电路基础与 PF(Power Factor)

三种基本元器件上"AC(交流电)"的"负载及相位(电流VS电压)"特性

AC(交流电)在三种基本元器件上电流与电压的相位差和功率:
- 纯电阻负载 上 "电流"和"电压 "同相". 是 功率消费 器件；
- 纯电容负载上 "电流" 超前 "电压" 90°, 是 功率储存 器件；
- 纯电感负载上 "电压" 超前 "电流" 90°, 是 功率储存 器件。
PF(Power Factor, 功率因数):
是指 "有功功率" 与 "视在功率(总用电量)" 的 "比值"。
PF(功率因数)越大，电能利用率越高。

经典"全桥整流+大电容滤波"的"容性负载"

及其 "相位差" 和 "全桥AC电流"的"尖峰脉冲波形" 的来源及电路分析

经典"全桥整流+大电容滤波"电路

经典"大电客滤波"	PFC的目标	PFC输出PWM信号调制AC电流由尖脉冲转换成正弦波

滤波大电容的"充放电特性"使其:
滤波大电容前后: AC侧经"全桥整流"作"电能动态生产", DC(高压)侧作"电能动态消费",
"生产"和"消费"可以"同频率"或"同功率"，也可"既不同频又不同功率";
但"大电容"缓冲滤波及解耦产销, 总能"动态平衡": 电能"消费量"总能由"生产量"动态补满.
- 两极的输出电压波形为有纹波的"锯齿波",
  - 纹波的"周期", 由 AC输入的周期 与 "DC负载电流波的合成",
    "负载电流"不变时,绞波周期 等于 AC输入固有周期(世界电网常用50Hz或60Hz).
  - 纹波的"振幅", 决定于“负载电流”的变化，
    "负载电流越大", "每周期"的"纹波振幅"越大。反之亦然。
    SP的纹波非常小: 滤波大电容的充放电速度极快+大容量够缓冲最大瞬时功率。
- 两极的最小电压是不为零(有储能电压)，两极的最大电压为锯齿波的峰值。
AC电流的"尖脉冲波形"成因:
功率二极管的单向导电 + 大电容极速储释能的滤波稳压结构,
决定AC电流呈高幅值尖脉冲(AC正弦波的电流导通角太小):
- AC电压瞬时值 小于 大电容瞬时电压, 整流管截止, AC电流为0。
- AC电压瞬时值 大于 大电容瞬时电压, 整流管导通, AC电流尖脉冲.
PFC目标(提高PF)使 AC电流波形每周期地追踪并补偿到高压DC电压波形。

PFC电路的作用及其原理

1. PFC简介

SP(Switching Power, 开关电源)
SP(开关电源) 是 "电容输入型" 电路,电流和电压有"相位差"会损失 "AC/DC交换功率"。
是因为\(\large \text{SP} 大多数都用 \text{ 整流电路 + 大电容滤波的容性负载电路结构 }\)
PFC(Power Factor Correction, 功率因数校正)
通过"AC输入电流的波形"同步"DC输出电压的波形", 减少谐波成份,提高PF(功率因数).
解决 容性负载 导致 电流波形严重变形, 而产生EMl(电磁干扰)和EMC(电磁兼容)。

2. PFC电路分类及其作用

目前PFC有 "无源PFC(被动式PFC)" 以及有源式PFC(主动式PFC) 两种。

无源PFC(被动式PFC) 有两种类型：
- 电感补偿式: 在 "整流桥堆" 和滤波电容之间,加设一个电感(适当选取电感量)，
  其原理是利用 "电感" 减小 "交流输入"的 "基波电流与电压" 的 "相位差", 提高PF；
- 填谷电路式: 在"整流桥堆" 后, 加设PF专用的 "填谷电路" 增大 "整流管的导通角",
  "填平谷点"使 "输入电流波形" 由 "尖峰脉冲" 变为 "近似正弦波".
  填谷电路式与电感补偿式对比，不仅有"电路简单"优点, 而且PF补偿效果好。
有源式PFC(主动式PFC, 由电感、电容、PFC专用IC 及有关元器件组成):
- \(\large \text{主动式有源PFC的基本思想 }是 \text{ 在整流桥和滤波大电容之间 }加设 \text{ PFC开关电源}\)
  PFC控制的开关管 桥接 整流桥和 PFC大电容, PFC输出DC电压 闭环调整 开关管导通度, 解决 "AC功率整流管断续通断" 及 "AC输出电流尖脉冲" 问题。使 输入电流如市电呈正弦波。
- 主动式有源PFC智能化: 有"PFC处理器"智能动态调整电流波形方式补偿 "电流与电压的相位差".而提高PF.
- 主动式有源式PFC可用作辅助电源，而且其输出DC(HV)电压的纹波很小。

主动式PFC负载的基本结构

电流的导通角太小的原因, 是 "在整流桥后接滤波大电容的电路结构.
\(\large \text{有源PFC的基本思想 }是 \text{ 在整流桥和滤波大电容之间 }加设 \text{ PFC开关电源}\)

PFC电路三种工作模式

CCM(Continuoous Conduction Mode, 连续导通)，
DCM(Discontinuous Conduction Mode, 不连续导通)，
CRM/BCM(Critical Conduction Mode / Boundary Conduction Mode 临界/边界导通).

PFC大部分都采用升压的BOOST拓扑结构
是因为要 "维持整流二极管导通, 维护滤波电容的充电状态及改善输入电流".
PFC输出电压高于交流输入端的峰值电压。
假设在理想条件下(无干扰), AC220V的峰值为311V. PFC电压要在220V以上, 才能总由AC输入侧导能, 导通整流管, 对 PFC电感和 PFC大电容充放电。

有源单相PFC电路及分析

PFC升压型电路	AC电流控制策略	AC电流控制的定量
\(AC(V_{ac}与I_{ac})信号检测点\) \(DC(HV)电压(V_{dc})检测点\) PWM控制信号注入点	\(AC电流正弦波化整形\) DC能量消费对AC电流整形的影响	数学建模物理电路的函数

PFC电路分析

\(\large \text{有源PFC基本思想 }是 \text{ 在整流桥和PFC大电容之间 }加设 \text{ PFC开关电源}\)
- PFC电感L 和 PFC大电容的“取值”决定 PFC固有的LC滤波频带分布和频率响应。
- 主动式PFC都用"处理器(高频MCU/DSP/FPGA)作"实时电压/电流信号闭环控制"。
- "PFC处理器"用输入信号(AC和DC的电压/电流)计算出输出信号 闭环控制 开关管,
  解决 "整流管断续通断" 及 "输出电流尖脉冲" 问题, 使 AC输入电流如市电呈正弦波。
- "PFC处理器"输出信号控制开关管并控制PFC电感L 和 PFC大电容C 的充放电;
- "PFC处理器"要输入"高压侧" 采样 的 "AC 电压/电流信号"及"整流后DC高压信号":
  - AC实时电压信号采样: 在AC 经"PFC电感L"滤波前. 计算电压phase.
  - AC实时电流信号采样: 在AC 经"PFC电感L"滤波后, 整流桥堆前. 计算电流phase.
  - DC实时电压信号采样: 在"PFC电感L 和 PFC大电容"滤波后的DC(高电压)处.
PFC工作启动时序设计:
- 只有当滤波电容充电完成, 才启动PFC
- "PFC的MOS开关管" 是在 "PFC电感L 的电流不为0" 才 "关断":
- PFC处理器调控 "PFC电感L 在电流不为0(储能和释能)"时导通度,
  实现对AC侧电压/电流与 DC高压的幅度和相位的动态实时补偿.
PFC的MOS开关管导通与截止:
- MOS开关管导通, 使 PFC电感L储存能量，
- MOS开关管截止, 使 PFC电感L储能释放, PFC大电容储能
  其电压左负右正,储能通过升压管D1, 对滤波电容充电。
  注意: "MOS开关管" 是在 "PFC电感L 的电流不为零" 才 "关断"
二极管选用: D1:升压整流管:选"快恢复"型 VS D2:保护作用: 选"通用"型
可在 "L1 与 D1" 上并联 "串接的 D2 与 R2" 作保护电路。
二极管“减小反向恢复电流” 和 “提高浪涌电流承受力”是“相互牵制”的。
快恢复二极管的承受浪涌电流比较弱, 通用(常恢复)二极管承受浪涌电流比较强.
- D1(必要): 升压作用 : 选用快恢复二极管(抗浪涌电流比较弱)
  因为开关管在 L 电流不为零才关断, D1要承受很大应力,
  要求D1有极低甚至为零的反向恢复电流。
- D2(可选加): 保护作用 : 选用普通二极管(抗浪涌电流比较强)
  开机瞬间大电压经"(D2+R2)"充电PFC大电容, 防止L磁饱和及开关管过流.
  - 防止冲击电压:
    开机瞬间, L两端电压可能是交流正弦波的任意瞬时值;
    当为正弦波峰值时, "浪涌电压" 使D2(保护二极管)+R2导通,
    大大减小通过L的电流, 降低冲击L 和 D1(升压二极管)。
  - 保护MOS开关管;
    L达"磁饱和态"时, 如果"PFC开关管沟道导通",
    而且L电流继续巨增, 通过开关管的电流不受限制巨增, 可能致烧坏.
PFC相位补偿:
- 被动补偿: "L和C 串联" 整体对 "通路电流与电压相位差的影响"互补为0。
- 主动补偿: "PFC处理器"对AC电流与 AC电压作主动式动补偿。
PFC防止浪涌和保护电路:
- 电感L上的电流不能突变, 防止因滤波电容C的充放电产生的 "浪涌电流"。
- 开机瞬间,滤波电容电压为0, 如果正逢正弦波峰值, 滤波电容瞬充电流很大,
  针对此问题，以下有两种措施:
  - PFC工作启动时序设计: 只有当滤波电容充电完成, 才启动PFC;
  - 如上图, 在L 和升压管D1上, 并联防止浪涌的普通管D2;
    "瞬时冲击" 主要通过D2为电容吸收, 因为 D2 比 L与D1 分路的总阻抗小。

PFC种类

单相PFC VS 三相PFC

单相PFC	三相PFC	电流导路分析

无桥PFC(四只MOS管取代全桥整流)

0. 预充电阶段

PFC四只MOS管的体二极管，构成全桥整流为电容充电:

1. PFC工作: AC正半周期: 假设AC输入为 "上正下负"

注意: AC正半周期:

Q4 在AC正半周期全程导通; Q2导通为L电感储能; Q2截止由L电感Boost电压为电容充电
PFC控制L电感放电完时正好AC为0V(瞬时):
PFC通过调整Q2导通时间, 直接控制L电感储存的能量, 间接调整其Boost放电时长。
PFC芯片通过调整Q2的Duty(占空比)使输出电压稳定:
单位时间的输出功率, 正好由AC输入经过 PFC芯片动态调制变换成的“正弦波电流”补充满。

2. PFC工作: AC负半周期: 假设AC输入为 "上负下正"

注意: AC负半周期与正半周期类似

Q3 在AC负半周期全程导通; Q1导通为L电感储能; Q1截止由L电感Boost电压为电容充电
PFC控制L电感放电完时正好AC为0V(瞬时):
PFC通过调整Q1导通时间, 直接控制L电感储存的能量, 间接调整其Boost放电时长。
PFC芯片通过调整Q1的Duty(占空比)使输出电压稳定:
单位时间的输出功率, 正好由AC输入经过 PFC芯片动态调制变换成的“正弦波电流”补充满。