PFC工作原理全解析

大家好我是大昌今天给大家分析PFC的工作原理妥妥的干货马上开始。

概述

传统应用中输入侧交流电源经全波整流后一般接一个大电容器以得到波形较为平直的直流电压。整流器-滤波电路是一种非线性元件和储能元件的组合因此虽然输入交流电压是正弦的但输入交流电流却严重畸变呈现脉冲状。如下图

由此可见大量应用整流电路会在电网端引畸变的非正弦电流造成严重的后果就是谐波电流对电网有很高危害作用同时设备的输入端功率因数会大大下降。同时对于AC-DC场合DC输出端通常要求具备稳定的直流母线电压甚至要求可调节。
因此应用PFC具备三大作用
A)改善输入电流谐波
B)改善输入PF值
C)稳定输出电压

原理分析

本节以应用范围较宽的CCM Boost PFC为例说明功率因数校正电路(PFC)的基本工作原理。下图1所示为一个Boost有源功率因数校正器的主功率电路图主电路由单相桥式整流器和Boost变换器由电感LPFC开关管Qp二极管D母线电容Cbus组成单相交替整流器整流桥将输入正负交替的交流电转换成馒头波形直流电无负值后级BOOST电路在特定占空比的控制作用下将馒头波型直流电压变换成脉动量较小稳定的母线直流电压同时保证输入侧电感电流呈现与输入电压波形包络线一致的正弦电流。
图1

BOOST拓扑分析

由上述图1可知PFC的电路核心组成为BOOST电路在需要解析PFC拓扑和控制前有必要先分析BOOST电路工作原理与控制逻辑。
直流变换器电路工作在BOOST模式下时输出电压V大于输入电压Vg其主电路结构如下图2所示。Vg为输入直流电源电压L为Boost电感Q为BOOST开关管以特定占空比d导通D为续流二极管C为输出滤波电容R为负载电阻V为输出电压。
图2

BOOST电路在开关管开通区间与关断区间时工作模式不同其电路各个关键节点的电流与电压波形因工作状态不同而呈现不同。因此可根据BOOST电路中MOS的工作状态将Boost电路的工作状态过程分为两种。
1工作状态1
当MOS管Q开通时其等效电路如下图3所示。输入直流电压Vg通过Q直接加载于电感L两端电感两端的电压等于输入电压Vg电感电流呈线性增加趋势电流方向如图中所示驱动波形和电感电流波形如图2.6中的阶段所示。由于Q导通二极管D的正极被MOS管钳住电位为地二极管D反向截止输出负载R继续由电容C供电。
图3

工作状态1过程中为输入电源为电感储能此时输入电压Vg与电感电流满足

2工作状态2
当MOS管Q关断时由于上一阶段电感电流不能强制换向续流二极管D正式导通。若忽略续流二极管D的导通管压降则电感L两端得电压为其中电压大于电感电流呈线性减小趋势。电流方向如下图2.5中所示驱动波形和电感电流不波形如图4所示

工作状态2过程中为电感放能同时在该阶段输入电源Vg补偿输出电容在上一阶段损失的能量此时输入电压输出电压与电感电流满足

BOOST电路开关管驱动与电感电流如图5所示

在一个开关周期内Q导通的时间为ton关断的时间为toffPWM的开关周期时间为TPWM定义占空比为D则

根据电感能量在一个开关周期内平衡定理

则可计算工作于BOOST模式下输入电压输出电压和占空比得关系

BOOST电路双闭环控制

通常BOOST的输出恒压闭环控制采用电压外环电流内环的控制架构如图6所示。其中电压外环为慢速环电流内环为快速环两则在控制带宽上成数量级的倍数差别。
将输出电压V转换后与参考电压目标电压Vref共同送入电压环路计算电压环的控制逻辑为当检测到输出电压小于Vref时经过电压外环计算后电压环输出量增加反之当当检测到输出电压大于Vref时经过电压外环计算后电压环输出量减小。
电压外环的输出与电感电流转换共同送入电流内环其整体控制逻辑如下当检测到输出电压小于Vref时经过电压外环计算后电压环输出量增加即参考电流Iref增加经过电流内环的计算电流环输出控制量增加占空比增加使得电感电流增加输出电压增加反之当检测到输出电压大于Vref时经过电压外环计算后电压环输出量降低即参考电流Iref降低经过电流内环的计算电流环输出控制量降低占空比减小使得电感电流降低输出电压降低。

PFC工作原理与控制逻辑

常规的PFC控制均含为双闭环控制方式分别为输出电压环和电流环其中电压环的作用用以保证输出侧直流母线电压的稳定电流环的作用保证输入电感电流呈现正弦包络线如下图8所示为简化后的PFC工作原理。

PFC的工作原理如下输出电压Vbus和参考电压Vref相比较后经电压环计算后得到电压环的输出量Vr送入乘法器中与Boost输入电压Vdc相乘得到馒头波形状的电流参考值iref。参考电流iref与开关电流is检测比较后经过电流环后得到开关管的占空比信号d经驱动电路后控制开关管的通断从而使得输入电流即电感电流iL的波形与整流后的电压波形Vdc的波形基本一致。
由上述控制策略可知当输出电压小于参考电压Vref时电压环输出Vr增加即经过乘法器后参考电流值iref增加在电流环的作用下增加开关管占空比使得输出电压往上调节。
下图给出输人电压波形Vdc、和Vi经过校正的电感电流iL输人电流ii波形。由图可见输人电流被PWM频率调制使原来呈脉冲状的波形调制成接近正弦(含有高频纹波)的波形。图中所示电路中在一个开关周期内当开关管导通时io=0iL=is;当开关管关断时is=0iL = iois为流经过开关管的电流波形具有高频纹波的输入电流取每个开关周期的平均值则可得到光滑的近似正弦波。