恒导通时间控制的降压型高效率PFC研究

PFC原理讲解PFC原理讲解作者：Tony wang低成本CCM PFC控制器原理与测试摘要：⼀种新的连续导通模式(CCM)的功率因数校正(PFC)控制器，被命名为ICE1PCS01, 是基于⼀种新的控制⽅案开发出来的。

与传统的PFC解决⽅案⽐较，这种新的集成芯⽚(IC)⽆需直接来⾃交流电源的正弦波参考信号。

该芯⽚采⽤了电流平均值控制⽅法，使得功率因数可以达到1.通过增强动态响应的⽅法使得负载突然波动时的动态特性得到改善。

独特的软启动⽅式防⽌了启动时过⾼的浪涌电流。

为了确保系统的安全运⾏，也提供了各种保护措施。

本⽂将介绍该芯⽚⼯作过程，同时提供了测试结果。

此芯⽚采⽤双列直插8管脚的封装形式，适⽤于低成本的PFC设计.⼀、简介传统的⽤于电⼦设备前端的⼆极管整流器，因为导致电源线的脉冲电流，⼲扰电⽹线电压，产⽣向四周辐射和沿导线传播的电磁⼲扰，导致电源的利⽤效率下降。

近⼏年来，为了符合国际电⼯委员会61000-3-2的谐波准则，有源PFC电路正越来越引起⼈们的注意。

对于⼩于200⽡的⼩功率装置，不连续调制模式(DCM)因其低廉的价格受到普遍欢迎。

另外，它的控制电路块中只有⼀个电压控制环，因⽽采⽤DCM的PFC设计简单易⾏。

然⽽，由于它固有的电流纹波较⼤，DCM很少应⽤于⼤功率场合。

在⼤功率场合，CCM的PFC更具有吸引⼒。

在CCM 的拓扑结构中，它的传输函数存在电压环和电流环两个控制环路。

因⽽CCM的控制电路设计复杂，CCM PFC控制器的管脚数⽬也较多。

ICE1PCS01这种新的PFC控制器，是为了降低设计费⽤和难度⽽开发的。

它仅有8个管脚。

此外，根据故障模式影响分析(FMEA)，很多的保护电路被集成在这块芯⽚中。

本⽂将对此IC的功能进⾏详细地介绍，并通过测试结果验证了它的性能。

⼆、芯⽚主要功能1. ⽆直接参考正弦波传感信号的均值电流控制传统的CCM PFC结构电路如图1所⽰。

图1：传统的CCM有源PFC电路和它的波形这个被称为ICE1PCS01新的PFC控制器的⼀个典型应⽤如图2所⽰。

三相单开关boost型PFC电路原理一、概述1. 本文将介绍三相单开关boost型PFC电路的原理，该电路用于提高电源系统中的功率因数，减少谐波，提高整个系统的效率。

2. 通过对该电路的原理和工作原理的深入研究，可以更好地理解其在电源系统中的重要性和作用。

二、三相电源系统概述1. 三相电源系统由三相交流电源组成，其具有较高的功率传输效率和稳定性。

2. 由于三相电源系统的非线性负载导致了功率因数低、谐波大的问题，需要使用PFC电路进行补偿。

三、PFC电路的作用1. PFC电路即功率因数校正电路，用于提高电源系统的功率因数，减少谐波。

2. PFC电路可以改善电源系统的稳定性和效率，减少对电网的污染。

四、Boost型PFC电路原理1. Boost型PFC电路利用电感和电容的组合，通过周期性开关调节电源电压，实现对电源系统的功率因数的校正。

2. 该电路通过控制开关管的导通和截止，实现对输入电压的调节，从而实现对功率因数的校正。

五、三相单开关boost型PFC电路结构1. 三相单开关boost型PFC电路由三个单开关boost型PFC电路相串联组成。

2. 通过合理的控制和调节，每个单开关boost型PFC电路可以实现对相应的电压进行调节和校正，最终实现对整个三相电源系统的功率因数的校正和提高。

六、三相单开关boost型PFC电路工作原理1. 三相单开关boost型PFC电路在工作时，通过控制每个单开关boost型PFC电路的开关管的导通和截止，实现对三相电源的电压、电流的控制。

2. 通过合理的调节和控制，可以实现对功率因数的校正和提高，减少谐波，提高整个电源系统的效率。

七、总结1. 三相单开关boost型PFC电路具有重要的实际意义，可以有效改善电源系统的功率因数，减少谐波。

2. 通过本文的介绍，希望读者可以更好地理解该电路的工作原理和原理，为应用和研究提供参考。

八、三相单开关boost型PFC电路的优势与应用1. 三相单开关boost型PFC电路具有结构简单、效率高、可靠性强的特点，是目前广泛应用于电源系统中的一种PFC电路。

电子科技大学UNIVERSITY OF ELECTRONIC SCIENCE AND TECHNOLOGY OF CHINA专业学位硕士学位论文MASTER THESIS FOR PROFESSIONAL DEGREE论文题目高开关频率恒定导通时间控制DC-DC变换器设计专业学位类别集成电路工程学号201722030435作者姓名章玉飞指导教师甄少伟副教授分类号密级UDC注1学位论文高开关频率恒定导通时间控制DC-DC变换器设计（题名和副题名）章玉飞（作者姓名）指导教师甄少伟副教授电子科技大学成都（姓名、职称、单位名称）申请学位级别硕士专业学位类别工程硕士工程领域名称集成电路工程提交论文日期2020.04.07论文答辩日期2020.05.15学位授予单位和日期电子科技大学2020年6月答辩委员会主席评阅人注1：注明《国际十进分类法UDC》的类号Design of High Switching Frequency Constant On-Time Controlled DC-DC ConverterA Master Thesis Submitted toUniversity of Electronic Science and Technology of ChinaDiscipline:Master of EngineeringAuthor:Zhang YufeiSupervisor:Associate Prof. Zhen Shaowei School:School of Electronic Science and Engineering (National Exemplary School of Microelectronics)独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。

据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。

2.2 2.2 Boost Boost 型PFC 电路的电路的原理结构原理结构原理结构单相Boost 型PFC 电路结构如图2-1所示，它包含有一个全桥整流电路和一个Boost 升压电路。

与其他拓扑相比，其主要特点为：1)输入电感电流即为电源输入电流，便于电流控制，非常适用于PFC ；2)结构简单，效率高；3)输入电流工作于连续状态，EMI 干扰小；4)驱动电路简单，无需与主电路隔离。

图2-1 Boost 型PFC 主电路Fig. 2-1 Boost power factor correction converter电路的工作原理为：当开关管S 导通，则快恢复二极管D 反向截止，输入电压通过整流桥后加在输入电感L 上，电感电流上升，上升速度与输入电压成正比；当开关管S 截止，则D 导通，电感L 通过二极管放电，放电速度与输出电压和输入电压之差成正比。

单相Boost 型PFC 电路最大的优点在于它的输入电感上。

根据电感具有电流不可突变的特性，当输入电感工作在CCM 模式下时，输入电流开关纹波最小，输入滤波器的设计将非常简洁经济，从而大大降低了在输入侧EMI 设计方面的难度。

通过对开关管S 进行PWM 调制，使得输入电流波形跟随输入电压波形，实现单位功率因数。

如图2-2所示。

图2-2 输入电压和电感电流波形Fig. 2-2 Waveforms of input voltage and inductor current2.2.33 平均电流模式控制平均电流模式控制的的PFC 数学模型平均电流模式的特点是对噪声不敏感，能较好的兼顾处理连续模式与非连续模式下的输入电流波形质量，且对轻重载都能实现不错的的功率因数，因此大部分的PFC 控制方式都采用平均电流模式。

采用平均电流模式控制的Boost 型PFC 电路如图2-3所示[35]。

控制电路主要由电流环、电压环及乘法器组成。

其中，电压环和电流环的设计是整个PFC 电路的核心。

宽电压范围输入PFC电路的研究作者：张雨心宋连庆张瑞国来源：《电脑知识与技术》2019年第06期摘要：该文针对如何实现90V～400V的交流电压向600V直流电压转换的问题，研究了一种适用于宽电压范围输入的功率因数校正电路。

文中介绍了第三代半导体器件——氮化镓器件，并对PFC电路的拓扑结构——boost电路的工作原理进行了阐述和分析。

然后对电路中的关键器件的参数进行了设计。

最终通过实验验证了电路的可行性，表明该电路适用于宽电压范围输入的功率因数校正电路。

关键词：功率因数校正；宽电压范围输入；boost电路中图分类号：TM46 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2019）06-0234-03Wide Voltage Range Input PFC Circuit ResearchZHANG Yu-xin， SONG Lian-qing， ZHANG Rui-guo（School of Electronic Information，Xi’an Polytechnic Universit y，Xi’an 710048， China）Abstract： In this paper， a power factor correction （PFC） circuit suitable for wide voltage range input is studied to realize the conversion from 90V～400V AC voltage to 600V DC voltage.This paper introduces the 3rd generation semiconductor devices—GaN devices， and describes and analyzes the working principle of boost circuit， which is the topological structure of PFC circuit.Then the parameters of the key components in the circuit are designed.Finally， the feasibility of the circuit is verified by experiments， indicating that the circuit is suitable for power factor correction circuit with wide range voltage input.Key words： PFC； wide range voltage； boost circuit随着我国现代化事业发展的脚步，各行各业的自动化水平都在不断地提高，用电设备的数量飞速增长带来用电量的大幅上升，使得电源的转换效率成为新时代下衡量开关电源质量的重要指标。

pfc整流电路工作原理PFC整流电路工作原理引言：功率因数校正（Power Factor Correction，简称PFC）是一种用于改善电力系统功率因数的技术。

在许多电力设备中，由于非线性负载或传统整流电路的使用，导致系统功率因数较低，给电网带来了许多问题。

PFC整流电路的出现解决了这一问题，本文将介绍PFC 整流电路的工作原理。

一、整流电路的基本原理在电力系统中，交流电需要被转换为直流电才能供电给电子设备。

传统的整流电路通常采用二极管桥式整流电路，其原理是通过二极管将交流电转换为脉动的直流电。

然而，这种整流电路存在功率因数低、谐波污染等问题。

二、PFC整流电路的工作原理PFC整流电路通过控制开关管的导通时间，将交流电转换为稳定的直流电，从而改善系统的功率因数。

PFC整流电路一般采用开关电源的拓扑结构，常见的有Boost型、Buck-Boost型和Bridgeless 型等。

1. Boost型PFC整流电路Boost型PFC整流电路是最常见的一种PFC电路，其基本原理是通过电感储能和电容滤波，将输入交流电转换为直流电。

具体工作过程如下：（1）输入电压周期内，当开关管导通时，电感储能，电容器充电；（2）开关管关断时，电感释放能量，将电能传递给输出负载；（3）输出负载获取到能量后，电容器开始放电，保持稳定输出电压。

Boost型PFC整流电路能够实现高功率因数校正，并且具有输出电压稳定、谐波小等优点。

2. Buck-Boost型PFC整流电路Buck-Boost型PFC整流电路是一种变换器，能够根据输入电压的大小自动调整输出电压。

其工作原理如下：（1）当输入电压大于输出电压时，开关管导通，电感储能，电容器充电；（2）当输入电压小于输出电压时，开关管关断，电感释放能量，将电能传递给输出负载；（3）输出负载获取到能量后，电容器开始放电，保持稳定输出电压。

Buck-Boost型PFC整流电路能够实现高功率因数校正，并且具有输入电压范围广、输出电压稳定的特点。

实验报告课程名称：___开关电源设计____指导老师： 成绩：__________________ 实验名称： PFC 的设计、制作和调试实验 实验类型： 同组学生姓名： 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）七、讨论、心得一、实验要求：扩展实验：设计制作BOOST 型功率因素矫正电路。

安森美：NCP1611 输入电压：50V 输出电压：100V ，0.5A二、实验原理图1 基于 NCP1611 的 Boost PFC 的系统电路图1、功率因数校正技术（PFC ）可以有效地减小用电设备输入整流装置的谐波，有效降低输入电流的总谐波畸变系数，从而提高系统的功率因数。

专业： 电子信息工程 姓名： 学号： 日期： 2012/7 地点： 教二-125图1 DCM 功率因数校正原理图 图2 CRM 功率因数校正原理图对传统的 PFC 控制芯片而言，其工作往往在 DCM 、CRM 或 CCM 模式，可以说以上三种控制模式各有利弊。

其中连续导电模式下的功率因数校正技术可以获得很大的功率转换容量，但是对于大量应用的中、小功率容量的情形，却不是非常合适的，因为这种方式往往需要较复杂的控制方式和电路。

DCM 和CRM 的控制方法比较简单，比较适合小功率的 PFC 控制。

推导 PFC 功率因数校正原理:在 t1 时间内电流上升的峰值： 1in peak V I t L=因此输入电流：121()2in peak I T I t t ⨯=+由上两式可得：112()2in in t t t I V TL +=。

只要保证112()t t t T+=constant ，则in in I V ∝，功率因数目的达到。

DCM 一般发生在轻载和电流过零点附近，采取 DCM 模式固定开关频率，可限制最高开关频率，从而限制污染系统环境的传导辐射和 EMI 噪声。

交错式PFC CCM模式是一种用于电子设备中的功率因数校正和直流输出的电源转换器拓扑。

在现代电子设备中，高效的能量转换和功率因数校正对于减少能源消耗和提高系统性能至关重要。

本文将介绍交错式PFC CCM模式的基本原理和计算方法。

一、交错式PFC CCM模式的基本原理交错式PFC CCM模式是一种结合了交错式拓扑和恒定导通模式的电源转换器，用于实现功率因数校正和直流输出。

其基本工作原理如下：1. 输入端整流和滤波：交错式PFC CCM模式首先对输入电压进行整流和滤波，以获得平稳的直流电压。

整流和滤波电路通常采用全波整流桥和滤波电容，以确保系统输入端的稳定性和可靠性。

2. 交错式拓扑：交错式PFC CCM模式采用两个功率开关，通过交错地控制两个开关的导通状态，实现输入电压的有效分流和降低开关损耗，提高系统的转换效率。

3. 恒定导通模式：交错式PFC CCM模式中的功率开关在导通状态下具有恒定的导通时间，以确保输出端的稳定性和可靠性，减少开关损耗和电磁干扰。

4. 输出端调节：交错式PFC CCM模式可以通过PWM控制技术对输出端进行精确调节，实现直流输出的稳定性和高效转换。

二、交错式PFC CCM模式的计算方法在设计交错式PFC CCM模式的电源转换器时，需要进行一系列的参数计算和设计，以确保系统的稳定性和性能。

其计算方法主要包括以下几个方面：1. 输入端整流和滤波电路的计算：根据系统的输入电压和负载要求，计算整流和滤波电路的电容和电感参数，以满足输入端的稳定性和可靠性。

2. 交错式拓扑的功率开关参数的选择：根据系统的输入电压和输出功率要求，选择适当的功率开关型号和参数，以满足系统的转换效率和可靠性。

3. 恒定导通模式的控制策略：设计恒定导通模式的控制逻辑和参数，确保功率开关具有恒定的导通时间，以减少开关损耗和电磁干扰。

4. 输出端PWM控制的参数计算：根据系统的输出电压和负载要求，设计PWM控制器的参数和调节策略，以实现直流输出的稳定性和高效转换。

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。

1 引言功率因数校正技术的发展呈现两级发展的趋势，其一是应用在大功率高精度电源上的双级功率因数校正技术，该方法采用专用PFC控制芯片，控制性能好，但成本高，一般的中小功率电源难以接受；其二是应用在中小功率电源中利用电压自动跟随技术的功率因数校正电路即不连续工作模式（DCM）功率因数校正电路[1]。

在DCM模式下，通过适当的设计使得输入电流自动跟随输入电压的变化实现功率因数补偿，该类电路有控制简单，成本低廉和便于应用的特点。

近年来提出的单级组合PFC电路更加表现出其优越性。

但至今对于PFC变换器有三方面问题的研究还不够深入，即输入电流畸变，变换器的临界条件以及稳态特性的研究。

尤其是采用单级结构后，由于PFC和DC-DC变换器存在着不可避免的联系，当输入电压达到最大值且负载最轻时，储能电容上的电压会大幅增加，电路稳定性受到很大的影响。

因而控制储能电容电压是该类电路要解决的重要问题之一。

对此，本文将结合DCM模式下的单级PFC变换器进行严格的数学推理，深入地研究了PFC电路的输入电流畸变问题，得出电流畸变的数学解析式。

然后，本文针对Boost-Forward单级功率因数校正电路，在对P FC电路及DC/DC电路工作在连续及不连续的边界条件进行了讨论后，得出了电路工作状态转换的精确解。

在此基础上本文提出了临界工作模式，即通过电路的负载范围设计变换器，让电路工作在电感临界点并随负载变化自动调节电路工作方式，即可保持高功率因数的同时控制了储能电容电压值，让电路的稳态特性得到较好的保证。

2 电流波形的畸变分析2.1 输入电流解析式首先分析PFC变换器的输入电流畸变。

在单级DCM模式PFC电路中，通过电压跟随方式取得的电流波形并非纯粹的正弦波，对于输入电流在固定占空比下被分解为三角脉冲波，电感电流峰值将自动跟随正弦输入电压。

但是，由于输入电感电流放电时间的调制，输入电流的平均值不会与输入电压成正比，因而输入电流会呈现一定程度的畸变，并随电感电流的放电时间的变化而产生畸变。

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COSΦ。

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。

也就是说，在AC线路电压的每个半周期内，只是在其峰值附近，二极管才会导通(导通角约为70°)。