一种小功率单级功率因数校正电路

功率因数校正技术(PF C)是功率电子学所研究的重要技术之一,它是开关电源节约能源的重要手段[1].通常所采用的拓扑结构是升压电路模式,它可以达到较好地提高功率因数的目的[2].但是这种电路在可靠性方面有一个突出的问题,即在电源电压升高时,会使电网中流动的电流大大增加,烧毁设备[3].电力设备的可靠性是一项非常重要的指标.电力设备的故障会造成极大的经济损失,因此对可靠性的研究具有重大的现实意义.1L6561工作原理L6561是目前较为流行的小功率(600W 以下)有源功率因数校正电路的控制芯片,它有八个引脚,具体功能为[4]:1脚:INV,误差放大器反相输入,2脚:COMP,误差放大器输出,3脚:MULT ,乘法器输入,4脚:CS ,电流采样输入,5脚:ZCD ,零电流检测,6脚:GND,地,7脚:VO,输出端,驱动MOS 管,8脚:VCC,电源端.L6561的启动电流为50uA,当8脚(VCC)电压超过12V 时,电路开始工作,当8脚电压低于9.5V 时,电路将会关闭.L6561内部参考电压精度为1%,7脚的驱动能力为士400nzA.乘法器(3脚)输入电压的线性范围是0至3.5V.电流采样端(4脚)的采样信号幅度为.至1.7V ,当电压超过1.7V 时,L6561会判定电路过电流,关闭输出脉冲.误差放大器的同相输入端在内部连接到2.5V 的参考电压,因此当反相端(1脚)的电压大于2.5V 时,2脚的电压会降低,使允许流过采样电阻的电流减小,PFC 的输出电压降低,从而使1脚电压下降.因此这是一个闭环的负反馈控制.零电流检测(ZCD )引脚的闽值电压为2.1V/1.6V 滞回电压为0.5V.即当ZCD C 引脚信号上升沿经过2.1V 时,零电流检测比较器输出低电平;当ZCD 引脚信号下降沿经过1.6V 时,零电流检测比较器输出高电平.2功率MOS 管的驱动信号中断是产生问题的根源一般来说,正常的电路,高频开关是连续的,然而某些电路有可能由于各种原因而停振,并在间隔了一段时间后又重新振荡工作,即产生间歇振荡当间歇振荡的频率接近M 滤波器的截止频率时,M 滤波电路非但起不到抑制噪声的作用,反会产生振荡,对噪声起到了放大的作用因此,间歇振荡的频率是很关键的一个参数.P FC 控制芯片L6561内部的重启动定时器的定时范围为70us 到400us,典型值为150us,所对应的间歇振荡频率为14.3kHz 到2.SkHz ,典型值为6.6kHz .由此可知,一旦L6561的重启动定时器连续地工作,EMI 滤波器就会有可能发生振荡.对于一般的!型电路,电感量约为1mH,电容为220nF.在正常的频率为100kHz 的功率因数校正电路中,若升压电感的峰值电流为1A,用Pspice 对其进行仿真,仿真电路如图1所示.3驱动信号延迟的分析与对策在保护电路中,D 触发器的时钟信号是从PFC 控制芯片的输出驱动脉冲取得,这是因为电感两端电压极性的变化和控制芯片输出驱动脉冲是同步的.但是,如果不对D 触发器的时钟脉冲的时序进行控制,很有可能会产生在D 触发器数据端的信号还没有稳定时就已经被触发的问题.下面结合图2分别讨论控制芯片输出脉冲的上升沿和下降沿两种情况.在输出脉冲的上升沿到来时,功率M OS 管Q1被开通,漏极电压下降,电感两端电压为电源电压,电感电流线性上升,PFC 控制芯片不进行电感电流的过零检测,因此保护电路此时也不必进行绕组的电压检测.D 触发器CD4013的时钟是上升沿触发,所以此刻对应的应该是时钟脉冲的下降沿,以忽略这个时候的绕组电压检测.在中间插入一个反相器D 即可实现这种上升沿和下降沿的转换在5V 供电电源和5V 输入信号电平的情况下,D 的低电平到高电平转换的延迟为5,因此由此引入的延迟可以忽略不计图1滤波网络的Pspic e 仿真电路,无间歇振荡单相电源功率因数校正驱动电路的分析与改进黄海山(漳州城市职业学院,福建漳州363000)摘要:在分析功率因数校正技术原理的基础上,结合某公司的控制芯片L6561,剖析了其造成事故的原因,提出了针对驱动电路信号中断的一种解决方法,取得了较好的结果.关键词:有源功率因数校正;保护电路;过压振荡中图分类号:TM1文献标识码:A文章编号:1673-260X (2008)04B-0035-02Vol.24No.4Aug.2008第24卷第4期2008年8月赤峰学院学报(自然科学版)Journa l of Chife ng Univer sity (N a tural Sc ie nce Edition)35.E l E l .C 4049.11C 40490ns .图2改进的APFC电路方案,虚线框中为改进部分的电路在输出脉冲的下降沿到来时,功率MOS管Q1被关断,漏极电压上升,电感两端电压下降,极性翻转,电感电流通过升压二极管续流,PF C控制芯片进行电感电流的过零检测.在电压比较器LM393A将信号送到触发器数据端并稳定后,应该使D触发器触发.由十寄生电容的作用,功率MOS管关断后漏极电压不会立即升高到稳态值,而是升压电感和寄生电容产生谐振,电压上升速率受寄生电容容量大小的影响.这个寄生电容主要是功率MOS管内部的电容,有时也包括并联在MOS管漏、源两端的吸收电容.另外,控制芯片输出脉冲的下降沿到来时,功率MOS管是不会被瞬间关断的,这主要是由存在于功率MOS管内部的栅极和漏极的米勒电容造成的.为了估算这个延迟的具体时间,下面对功率MOS管的内部构造和关断过程进行分析.对照功率MOS管的内部构造,可以对这三个电容作进一步的分析.在栅极周围的寄生电容有:栅极对源极金属的电容C4,栅极对源极N+扩散区的电容C3,栅极对P区的电容C6和CS,其中CS的电容量是变化的,它受漏极电压和沟道长度的影响,但即使漏极电压从零升高到击穿电压,它的变化也是非常小的,所以在实际应用中可以认为它基本不变.另外一个重要的栅极电容是栅极对漏极的电容,它由两部分组成,一个是固定电容C1,另一个是电容量随漏极电压变化而变化的电容C2.当漏极电压变化时,N-扩散区与栅极C1附近相邻的部分的面积会发生变化,所以C2是随着漏极电压的变化而变化的.由下面的计算公式可以得到结论:当V D S!B时,随着漏极电压的升高,电容Cgd的电容量将下降,并符合关系式C gd∞(1-k V ds!).由此可见,当MOS管的输入电容Ciss是随着漏、源电压的增加而减小的.在关断一个功率MOS管时,一开始功率MOS管的输入电容容量较大,由于在栅极驱动电路中有栅极电阻,所以栅极电压的下降速度与栅极电阻的阻值成反比例关系[5].在栅极电压下降到闽值电压时,功率M OS管开始要关断,漏极电压开始要上升,由于漏极电压的上升,使得栅、漏电容Cg d被充电,充电回路是从漏极经过Cgd到栅极电阻,再从控制芯片的驱动口到地.若功率因数校正电路的输出电压为400V,则功率MOS管的漏极电压是从0V上升到400V,计算其上升时间的公式为:dt=C gt400(1)因此漏极电压的上升时间由流过的电流大小决定这个电流也就是流经栅极电阻R.的电流.而栅极电压近似保持在闽值电压附近,所以流过栅极的电流是近似不变的,其值为:i G=V thR G.若芯片的关断电压为0.3V,功率M OS管的闽值电压Vth为3.5V,栅极电阻为10",则流过栅极的电流为:iG=V thRG=3.510=350mA,若Cgd为500PF,则根据式一可得到漏极电压上升时间为:dt=C gt400i c=500×10-12400350×10-3 =571ns.可见,对漏、源电容C gd的充电电流是恒定的,其大小由栅极电阻的阻值决定.虽然短路栅极电阻可以增大驱动电流,但为了避免在栅极产生电压振铃,一般还是要加上一个几欧姆的栅极电阻.通过以上分析得出一个结论:从驱动脉冲的下降沿到来,到功率MOS管被彻底关断,其中间必然有一段不可忽略的时间,这是保护电路设计中必须要考虑的时序问题.所以,在图2中,加上了由R8和C4组成的RC延时网络,并经过反相器CD4049反相后,将PFC控制芯片的驱动脉冲送入D触发器CD4013的时钟端.由于这个RC网络的作用是将驱动脉冲的下降沿进行延迟,所以在R8上并联了一个二极管D6,使这个RC网络对驱动脉冲的上升沿不作延迟.同时,D6也有另外一个作用.因为驱动脉冲的脉宽和频率是变化的,所以如果脉冲的宽度太窄,即高电平时间太短,则C4还来不及被充电到稳定的高电平,就开始被放电,将会缩短对驱动脉冲下降沿的延迟时间.这是因为反相器CD4049输入端判断低电平的闽值电压不变,若电容C4充电不足,则其两端电压下降到闽值电压的时间就会较短;而如果电容C4每次都被充电到稳定的高电平,则每次下降到闽值电压的时间就能保持不变.4结论早期的功率因数校正技术非常简单,只是一个补偿相位的网络,但现在已被先进的有源功率因数校正技术所代替.实用的三相电源的有源功率因数校正技术是目前国际电力电子界的研究热点,是尚未解决的一道难题.本文研究了单相电源有源功率因数校正技术应用中的可靠性问题.首先介绍某公司的L6561,然后对现有技术的缺陷作了分析,对功率M OS管的驱动信号中断问题,设计了驱动等电路,取得了较好的结果.———————————————————参考文献:〔1〕张占松,蔡宣二.开关电源的原理与设计(修订版).北京:电子工业出版社,2004.〔2〕严百平,刘健,程红丽.不连续导电模式高功率因数开关电源.北京:科学出版社,2000.〔3〕邢岩,蔡宣二.高频功率开关变换技术.北京:机械工业出版社,2005.〔4〕原田耕介,耿文学译.开关电源手册(第2版).北京:机械工业出版社,2004.〔5〕Erickson,R obert S eca uc us,NJ,US A:Kluwer W“Fun-da mentals of Powe r Elec tronics,Sec ond Edition”Aca-,36i cC gd.demic Publishers2000:79-81.。

BIFRED电路工作原理Boost Integrated with Flyback Rectifier/Energy storage DC/DC，简写为BIFREDBIFRED转换器的主电路结构图1所示为一个DCM Boost PFC转换器和反激转换器组合而成的两级转换器，通过储能用的大容量电容并联耦合，分别由PWM开关S1、S2控制。

Boost转换器工作在DCM模式，具有功率因数校正的功能，开关的控制只是用来调节输出电压。

可以将BoostPFC转换器和反激式转换器集成为单级，以省去反激式转换器中的开关S2，将变压器初级电路稍加改变。

例如，把储能电容CB改成串接，把开关S1置于二极管D1之后，并改变变压器初级绕组的极性等，就形成了单级BIFRED转换器。

其主电路如图2所示。

功率因数校正与输出电压调节两部分共用一个开关管S1。

图1 DCM Boost PFC转换器和反激式转换器组合而成的两级转换器图2 BIFRED转换器主电路BIFRED转换器虽然是单级，但分析时可以分别考虑PFC转换器和负载转换器的功能。

（1）PFC转换器。

DCM升压转换器由输人电感L1、二极管D1、开关管S1，储能电容CB组成PFC转换器,储能电容C B是一个关键元件，它既是DCMBoost转换器的输出滤波电容，也是CCM反激式转换器的输入电压源。

（2）负载转换器。

由变压器Tr、开关管S1、输出滤波电容C、输出二极管D2组成负载转换器，即工作于CCM 模式的DC／DC反激式转换器。

反激转换器中Tr既是隔离变压器，也起电感的作用，变比为n∶1，假设等效励磁电感Lm并联于次级绕组，则LM中的电流即为励磁电流i m。

BIFRED转换器的工作原理图1所示为一个开关周期内BIFRED转换器的三个等效电路。

假设输出滤波电容C很大，可以等效成为电压源Uo。

图2为BIFRED转换器的工作波形图。

Ton＝DuTs为开关导通的时间，Du为占空比，Ts为开关周期；Toff＝（1—Du）Ts为开关关断时间；Du1Ts为电流iL下降、但不为零的时问；（1-Du-Du1）Ts．为电流iL等于零的时间。

功率因数校正(英文缩写是PFC)是目前比较流行的一个专业术语。

PFC 是在20世纪80年代发展起来的一项新技术，其背景源于离线开关电源的迅速发展和荧光灯交流电子镇流器的广泛应用。

PFC 电路的作用不仅仅是提高线路或系统的功率因数，更重要的是可以解决电磁干扰(EMI)和电磁兼容(EMC)问题。

线路功率因数降低的原因及危害 导致功率因数降低的原因有两个，一个是线路电压与电流之间的相位角中，另一个是电流或电压的波形失真。

前一个原因人们是比较熟悉的。

而后者在电工学等书籍中却从未涉及。

功率因数(PF)定义为有功功率(P)与视在功率(S)之比值，即PF=P/S 。

对于线路电压和电流均为正弦波波形并且二者相位角Φ时，功率因数PF 即为COS Φ。

由于很多家用电器(如排风扇、抽油烟机等)和电气设备是既有电阻又有电抗的阻抗负载，所以才会存在着电压与电流之间的相位角Φ。

这类电感性负载的功率因数都较低(一般为0.5-0.6)，说明交流(AC)电源设备的额定容量不能充分利用，输出大量的无功功率，致使输电效率降低。

为提高负载功率因数，往往采取补偿措施。

最简单的方法是在电感性负载两端并联电容器，这种方法称为并联补偿。

PFC 方案完全不同于传统的“功率因数补偿”，它是针对非正弦电流波形而采取的提高线路功率因数、迫使AC 线路电流追踪电压波形的瞬时变化轨迹，并使电流与电压保持同相位，使系统呈纯电阻性的技术措施。

长期以来，像开关型电源和电子镇流器等产品，都是采用桥式整流和大容量电容滤波电路来实现AC-DC 转换的。

由于滤波电容的充、放电作用，在其两端的直流电压出现略呈锯齿波的纹波。

滤波电容上电压的最小值远非为零，与其最大值(纹波峰值)相差并不多。

根据桥式整流二极管的单向导电性，只有在AC 线路电压瞬时值高于滤波电容上的电压时，整流二极管才会因正向偏置而导通，而当AC 输入电压瞬时值低于滤波电容上的电压时，整流二极管因反向偏置而截止。

专利名称：一种单级功率因数校正电路专利类型：发明专利
发明人：张波,谢仁践
申请号：CN200310112238.5
申请日：20031121
公开号：CN1545192A
公开日：
20041110
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及一种单级功率因数校正电路，主要包括：整流桥Q，主变压器T，辅助变压器T，开关管S，输入电感Ls，二极管D、D、D、D、D和输入电容C、无极性电容C。

它以输入电容C的电压不连续工作模式实现自动功率因数校正的功能，以主变压器T1作为感性储能元件进行功率平衡。

T、D、D、C形成了一个无损缓冲器回路，它把缓冲的能量传输到输出端，克服了常规有损缓冲器带来的损耗，提高了整个变换器的效率。

本发明由于输入电流连续，功率因数相对传统的单级功率因数高，谐波含量较小，尤其适用于小功率应用场合，而且它简化了输入滤波器的设计。

申请人：华南理工大学
地址：510640 广东省广州市天河区五山路381号
国籍：CN
代理机构：广州粤高专利代理有限公司
代理人：何燕玲
更多信息请下载全文后查看。

单级PFC电路为减少办公自动化设备、计算机和家用电器等内部开关电源对电网的污染，国际电工委员会和一些国家与地区推出了IEC1000-3-2和EN61000-3-2等标准，对电流谐波作出了限量规定。

为满足输入电流谐波限制要求，最有效的技术手段就有源功率因数校正（有源PFC）。

目前被广为采用的有源PFC技术是两级方案，即有源PFC升压变换器+DC-DC变换器，如图1所示。

两级PFC变换器使用两个开关（通常为MOSFET）和两个控制器，即一个功率因数控制器和一个PWM控制器。

只有在采用PFC/PWM组合控制器IC时，才能使用一个控制器，但仍需用两个开关。

两级PFC在技术上十分成熟，早已获得广泛应用，但该方案存在电路拓扑复杂和成本较高等缺点。

单级PFC AC-DC变换器中的PFC级和DC-DC级共用一个开关管和采用PWM方式的一套控制电路，同时实现功率因数校正和对输出电压的调节。

2、单级PFC变换器基本电路拓扑2.1单级PFC变换器基本电路单级PFC变换器通常由升压型PFC级和DC-DC变换器组合而成。

其中的DC-DC变换器又分为正激式和反激式两种类型。

图2所示为基本的单级隔离型正激式升压PFC电路。

两部分电路共用一个开关（Q1），通过二极管D1的电流为储能电容C1充电，D2在Q1关断时防止电流倒流。

通过控制Q1的通断，电路同时完成对AC输入电流的整形和对输出电压的调节。

由于全波桥式整流电路输入连接AC供电线路，瞬时输入功率是随时变化的，欲得到稳定的功率输出，要依靠储能电容实现功率平衡。

对于DC-DC变换器，通常在连续模式（CCM）下工作，占空因数不随负载变化。

而全桥整流输出电压与负载大小无关，当负载减轻时，输出功率减小，但PFC级输入功率同重载时一样，使充入C1的能量等于从C1抽取的能量，引起直流总线电压明显上升，C1上的电压应力往往达1000V 以上，对开关器件的耐压要求非常高。

由于开关器件的电压高，电流应力大，开关损耗大，并且功率从输入到输出要经两次变换，故效率低。

功率因数校正电路功率因数校正电路是一种用于改善电力系统的功率因数的电路。

功率因数是衡量电路中有功功率与视在功率之比的指标，是一个无量纲的数值，通常用cosφ表示。

功率因数的大小表示了电路中有功功率（真实能量转换）和视在功率（总能量传输）的比例。

在电力系统中，有功功率是能够有效利用的功率，而视在功率则是电力供给的总功率。

在实际电力系统中，当负载处于感性（电感性）或容性（电容性）状态时，由于电感或电容的特性，电流与电压之间的相位差会导致功率因数的变化。

当负载处于感性状态时，电流会滞后于电压，功率因数为正。

当负载处于容性状态时，电流会超前于电压，功率因数为负。

一种常见的功率因数校正电路是利用谐振器的原理来实现的。

该电路由一个串联电容和一个并联电感组成。

在感性负载的情况下，电感产生的感抗可以与电容的电抗相消，从而实现相位校正。

同理，在容性负载的情况下，电容产生的电抗可以与电感的感抗相消。

另一种常见的功率因数校正电路是利用电路中的控制器进行相位校正。

该电路通过调节负载的电流和电压之间的相位差，实现功率因数的改善。

通常，控制器使用一种叫做PWM（脉宽调制）的技术来控制负载电流的相位。

PWM技术通过改变电压波形的占空比来调整电流与电压之间的相位差，从而改变功率因数。

此外，还有一些其他的功率因数校正电路设计方法，例如并联无功补偿电容器、有源功率因数校正器等。

这些方法都通过改变电路的特性，调整电流和电压之间的相位差，来实现功率因数的校正。

总的来说，功率因数校正电路是一种用于改善电力系统的功率因数的电路。

该电路可以通过改变电路的特性，调整电流和电压之间的相位差，实现功率因数的校正，提高系统的能效和电力质量。

单相有源功率因数校正电路仿真摘要：传统的AC-DC 变换器的广泛应用对电网产生了大量的谐波污染。

有源功率因数校正技术(APFC)是抑制谐波电流、提高功率因数的行之有效的办法。

本文论述了单相功率因数校正APFC 的原理和方法，通过对Boost 型滞环控制的DC-DC 变换器采用Matlab 进行仿真，获得了最后校正的功率因数结果，说明这种PFC 方案的能获得良好的效果，适用于多种场合。

关键词：有源功率因数校正，Boost 电路，滞环控制1 绪论功率因数指的是有效功率与总耗电量（视在功率）之间的关系。

功率因数可以衡量电力被有效利用的程度，当功率因数值越大，代表其电能利用率越高。

交换式电源供电器上的功率因数校正器的运作原理是通过控制调整交流电电流输入波形，使其与直流电电压波形尽可能一致，让功率因数趋近于1.折对于电力需求量达到某一个水平的电子设备而言是很重要的，否则，电力设备系统消耗的电能可能超出其规格，极可能干扰同系统的其他电子设备。

2 功率因数的定义和校正原理根据电工学的基本理论功率因数（PF ）的定义：交流输入有功功率（P ）与视在功率（S ）的比值，用公式表示为：1111cos cos cos rms rmsU I I P PF S U I I φφγφ==== (1) 式中：1U 表示输入基波电流有效值；cos φ表示基波电压与基波电流之间的位移因数；γ表示输入电流畸变因数；rms I 表示输入电流有效值。

可见PF 由电流畸变因数γ和位移因数cos φ决定，cos φ小表示用电设备的功率大，在有功功率不变的情况下实在功率增加，线路总电流增大，线路传输压降也将增大，倒是电气设备容量增加，利用率低，导线、变压器绕组损耗大，严重影响电网的供电质量，变化快时甚至可以导致电网崩溃。

输入电流即便因数γ值低，表示输入电流谐波分量大，将造成输入电流波形畸变，对电网造成污染，使用电设备产生机械振动、噪声、过电压，损坏电子设备。

功率因数校正电路的作用
功率因数校正电路是一种用于改善电力系统功率因数的电路。

在交流电力系统中，功率因数是指有功功率和视在功率之间的比值，它反映了电力系统中电能的利用效率。

功率因数为1时，表示电能的利用效率最高。

而功率因数小于1时，意味着有一部分电能在输送过程中被浪费掉了。

功率因数校正电路的作用就是通过改变电路中的电流和电压之间的相位关系，使功率因数接近于1。

具体来说，功率因数校
正电路可以通过调整电路中的电容或电感元件，改变电流和电压之间的相位关系，从而提高功率因数。

功率因数校正电路的作用主要有以下几个方面：
1. 提高电能利用效率：通过校正功率因数，减小系统中的无功功率损耗，提高有功功率的输出，从而提高电能的利用效率。

2. 减少电能浪费：在功率因数低的情况下，系统中会产生较大的无功功率，这部分无功功率会导致电能浪费。

功率因数校正电路可以减少无功功率，减少电能的浪费。

3. 降低线路损耗：由于功率因数校正电路可以减少无功功率流动，从而减少了线路中的电流，降低了线路的损耗。

总的来说，功率因数校正电路的作用是提高电能的利用效率，降低电能浪费，减少线路损耗，从而提高电力系统的稳定性和经济性。

单级反激PFC设计单级反激PFC（Power Factor Correction）是一种电路设计技术，可以帮助改善电力系统的功率因数。

传统的功率因数低的电路会导致电网能源浪费和电力系统的不稳定性。

单级反激PFC可以通过减小谐波干扰，增加功率因数并提高效率，从而达到更高的能源利用效率和电力系统的稳定性。

1. 电路拓扑选择：单级反激PFC主要有Boost转换器和Flyback转换器两种常用的电路拓扑。

Boost转换器适用于大功率应用，Flyback转换器适用于小功率应用。

根据具体需求选择适合的拓扑结构。

2.输入滤波电感设计：输入滤波电感的设计可以有效减小电源线上的谐波干扰。

一般来说，选择适当的电感值可以实现较好的滤波效果，同时还要考虑电感的尺寸和成本限制。

3.交流电压检测：单级反激PFC是基于交流电压进行控制的，所以需要对输入电压进行实时检测。

可以使用简单的电压分压电路和比较器等组成反馈控制回路，来实现对输入电压的准确检测。

4.反馈控制设计：单级反激PFC需要对输出电压进行反馈控制，以达到稳定的输出电压。

一般采用PID控制算法，结合脉宽调制技术，通过调节开关器件的导通时间来维持输出电压稳定。

5.调光控制设计：如果设计的单级反激PFC用于LED照明系统，还需要考虑调光控制的设计。

可以采用脉宽调制技术，调节开关器件导通时间的方式来实现LED灯光的调光控制。

单级反激PFC的设计一般需要进行仿真和实验验证，以保证设计的性能和稳定性。

通过合理的电路拓扑选择、输入滤波电感设计、交流电压检测、反馈控制设计和调光控制设计等关键方面的设计，可以实现高效率、高功率因数的反激PFC电路。

总之，单级反激PFC设计是一项综合性的电路设计任务，需要综合考虑各个方面的因素。

通过合理的设计和优化，可以实现高效率、高功率因数的单级反激PFC电路，从而提高电力系统的能源利用效率和稳定性。