新闻中心

EEPW首页 > 电源与新能源 > 设计应用 > 创新、简单而又高效节能的PFC解决方案

创新、简单而又高效节能的PFC解决方案

作者:时间:2011-07-29来源:电子产品世界收藏

简介

开关电源因具有良好的输入电压调整率和负载调整率、高转换效率以及体积小巧等优势,如今几乎为所有电子系统采用。不过,由于开关电源属于非线性元件,因此可产生与输入电压异相的高幅度窄脉冲。电流脉冲的高谐波含量与电源的无功输入同时存在,容易降低的供电效能,从而造成EMI问题和能源损耗。

本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/121934.htm

输入电压与输入电流之间的关系用功率因数(PF)表示。在生成非线性负载电流的系统中,采用功率因数校正(PFC)电路可使电源的输入端表现为供电系统的线性负载。有效的PFC电路可同时降低峰值电流和RMS电流,并优化的供电效率。

由于功率因数对供电基础设施具有影响,政府机构已出台并逐步提高对功率因数(PF)和谐波失真的要求。IEC/EN61000-3-2的PF标准广泛适用于包括家用和商用应用在内的电子设备。

PFC可通过多种拓扑结构实现,例如降压、升压、反激、Ćuk和单端初级电感转换器(SEPIC).升压拓扑结构因设计简单而广为使用,连续的输入电感电流使其非常适用于PFC电路。到如今,电源IC制造商已推出了众多控制策略,其中包括峰值、平均和迟滞连续导通电流(CCM)模式控制,以及临界导通模式(CRM)和非连续导通模式(DCM)。近些年来,已使电源制造商在PF性能方面取得了重大改进,但仍存在与某些实现的复杂度相关的可靠性问题。

HiperPFS的主要特色

HiperPFS是Power Integrations新推出的一款,它的最大不同之处在于采用了独特的控制策略,即恒定安秒导通时间控制和恒定伏秒关断时间控制。单芯片解决方案可提供集成式无损耗电流检测,省去电流控制环路外部补偿元件,从而降低设计复杂度。创新的变频连续导通模式(VF-CCM)控制可通过在低平均开关频率下工作,达到抑制EMI和降低开关损耗的目的。

安秒与伏秒控制

HiperPFS的核心是恒定安秒导通时间与恒定伏秒关断时间控制算法。图1以一个升压PFC为例来说明其控制机制。对开关电流进行积分和控制,使其在开关导通期间具有恒定的安秒乘积,从而使平均输入电流波形跟随输入电压波形。对输出与输入电压之间的差值进行积分可维持恒定的伏秒平衡(由升压电感的电磁特性决定),从而实现对输出电压及功率的调整。

 
图 2.恒定安秒与伏秒控制原理图

在功率MOSFET的每个导通周期内,控制器对开关电流的积分设定一个恒定值。由于升压转换器输出电压控制环路的带宽非常低(实际上,远低于120 Hz半线周期频率),可以将每周期的积分电流视为恒定。为调整输出电压,控制电压VC会随着负载或线电压的变化在许多周期内进行稳定变化。通过这种恒定安秒控制,我们可以首先假设:

    (1)

为实现关断时间控制,采用与输出输入电压差成正比的电流源。对电流进行积分并与固定电压参考(VOFF)相比较以确定周期关断时间。关断时间(tOFF)的伏秒数可表示如下:

  (2)

由于导通时间内的伏秒数必须等于关断时间的伏秒数,以维持PFC电感内的磁通量平衡,因此对导通时间(tON)进行控制可使:

  (3)

将tON从(3)代入(1)可得出:

  (4)

公式(4)所表示的关系表明,通过控制恒定的安秒导通时间和恒定的伏秒关断时间,输入电流iin与输入电压Vin可成正比,从而以非常简单的控制电路提供基本的功率因数校正。

变频连续导通模式(VF-CCM)

图2中的曲线图描绘了频率随输入线电压和输出负载的变化情况。当线电压升高时,PFC电感的电压差会减小,关断时间积分器需要更长的时间才能达到VOFF阈值。当输入电压降低时,关断时间积分器在较短时间内即可满足伏秒平衡。

开关导通时间随负载而变。当这负载增大时,PFC开关电流随之增大以满足负载要求。当开关电流减小时,导通时间积分器在较短时间内即可满足安秒平衡,开关频率随之升高。

  
图 2. 频率随负载和输入电压的变化

VF-CCM控制的可变开关特性通过在转换器的整个负载范围内维持较低的平均开关频率并提升效率水平,可达到降低开关损耗的目的。

在轻载下,关断时间积分器的控制电压参考(VOFF)由内部误差信号(VE)进行修改,该电压与输出功率直接成正比。修改后的VOFF斜率可进一步降低平均频率,从而降低开关损耗。在轻载条件下实现高效率,对传统的PFC CCM方法来说是一项挑战,因为固定的MOSFET开关频率会在每个周期造成固定的开关损耗,即使在轻载条件下也是如此。固定频率CCM控制方法如图3所示。

 
图 3. 固定开关频率的传统CCM控制方法 – 输入电流

如果采用固定频率CCM设计,次谐波噪声会集中在一些固定频率上,为EMI噪声滤波带来挑战。在变频控制中,开关脉冲所传递的能量会分散在半AC线周期内的一系列频率中。这意味着,HiperPFS通常能降低转换器的总X和Y电容要求以及升压扼流圈和EMI噪声抑制扼流圈的电感,从而降低整体系统尺寸和成本。

PFC设计的简化 

图4所示为一个典型的基于HiperPFS的PFC应用电路。VF-CCM控制已省去了外部补偿网络的使用,能提供非常简单的解决方案。

 
图 4. 典型的HiperPFS应用电路图

电压监测引脚(V)电流用于在内部检测输入线电压的峰值。这对线电压前馈功能具有驱动作用,以便在整个输入线电压范围内维持恒定的电压反馈环路增益,从而改善线电压调整率和瞬态响应。此外,HiperPFS还集成了其他先进功能,例如功率限值和电压缓升/跌落保护。

作为对比,图5所示为一个传统CCM平均电流模式控制的电路设计。该设计需要一个电流放大器和一个补偿网络。电流检测电阻的位置需要与电感电流串联。除电阻会产生功率损耗外,噪声敏感性问题也构成设计挑战,特别是在电感的纹波电流较低时。

 
图 5. 传统的CCM平均电流模式控制的电路图

VF-CCM控制与临界导通模式(CRM)控制比较

CRM升压功率因数转换器在连续导通模式和非连续导通模式的交界处进行工作。通常情况下,开关导通时间是固定的,这通过比较电压环路误差放大器的输出电压和锯齿参考波形来实现。当水平相匹配时,开关将关断。当电感电流降至零时,开关将导通。当电感值固定时,输入电流自动跟踪输入电压,从而实现功率因数校正。电感电流如图6所示。

 
图 6. 临界导通模式CCM控制方法 – 输入电流

CRM控制具有一些与HiperPFS相同的优势,比如无需电流控制补偿即可实现简单设计和和可变开关频率。续流二极管的选择并不是关键,因为二极管在开关电流为零时会关断。但是,仍存在以下明显缺陷而不利于在较高功率PFC设计中使用CRM:

• CRM控制会在MOSFET和续流二极管中产生高峰值电流,因而需要器件具有更高电流额定值。
• MOSFET中的开关及导通功率损耗比较高。
• CRM控制要求使用更大的磁芯。因为它会生成更高的峰峰值电感电流,从而导致电感产生更高的迟滞损耗以及更高的铜损耗。
• CRM要么需要一个电流检测电阻来检测零电感电流,要么需要一个零电流检测绕组来导通MOSFET。
• 与类似的VF-CCM设计相比,CRM控制所生成的峰值电流将近前者的两倍。这会加重噪声问题,从而增大EMI滤波元件的成本。
基于CRM的在低功率PFC设计中已得到广泛使用,因为它们比较简单且允许使用并不昂贵的续流二极管。不过,HiperPFS则更为简单,它具有许多设计优势,比如MOSFET的导通及开关损耗更低、二极管导通损耗更低、电感磁芯及铜损耗更低、负载范围内的效率更高、EMI更低且EMI滤波器更小、元件数更少以及集成多项保护功能。由于具有软恢复特性的超快速恢复整流管易于购得,HiperPFS VF-CCM模式控制可以为广大的低功率、中等功率及高功率PFC应用提供理想的解决方案。

设计范例

一款347 W PFC前端转换器(如图7所示)已采用HiperPFS PFS714EG集成式PFC控制器设计而成,并配有全面的验证报告(RDR-236)。这份示范性的设计范例适用于开发人员,可对新的原型设计提供参考。

 
图 7.  347 W HiperPFS前端PFC转换器

该设计从10%负载点到满载均可提供95%以上的效率(参见图8)。高效率可以使设计满足80+ PC规范要求。
 

图 8. 效率随输出功率的变化

该电源在115 VAC输入满载条件下的功率因数高达0.998,在230 VAC输入满载条件下的功率因数可达0.984(参见图9)。它可以轻松满足EN61000-3-2 Class C和D对低谐波输入电流元件的要求(参见图10)。

   

结论

HiperPFS所引入的创新型恒定安秒和伏秒控制概念为升压PFC转换器带来了全新的高性能PFC解决方案。与传统的CCM和CRM控制方法相比,HiperPFS可以凭借简单、可靠、低元件数及低成本的解决方案为电源设计师提供更佳的选择。

参考文献

1. Power Integrations PFS704-729EG HiperPFS Family Datasheet
2. Power Integrations Application Note AN-52, Application Note AN-53
3. Reference Design Report (RDR-236) for a High Performance 347 W PFC Stage Using HiperPFS PFS714EG
4. L. Rossetto, G. Spiazzi, P. Tenti “Control Techniques for Power Factor Correction Converters”
5. Lloyd H. Dixon, Jr. “High Power Preregulators for Off-Line Power Supplies” TI-Unitrode slup087. 

关于作者

Edward Ong是Power Integrations (PI)节能器件领域的产品营销经理。在加盟PI之前,Edward曾分别担任Emerson Network Power的项目经理和产品营销经理,以及ROHM Corporation的研发经理。他拥有Ateneo De Manila University工商管理硕士(M.B.A.)学位、De La Salle University电子工程硕士(M.S.E.E.)学位以及Mapua Institute of Technology电机工程学士(B.S.E.E.)学位。

电子负载相关文章:电子负载原理
脉冲点火器相关文章:脉冲点火器原理


关键词: AC电源 PFC IC

评论


相关推荐

技术专区

关闭