有源功率因数校正APFC

有源功率因数校正APFC之电路应用分析作者：周德智 来源：科技创新导报 2015年第2期周德智（威海市市政建设公用事业管理处 山东威海 264200）摘 要：近年来集成电路控制的有源功率因数校正（APFC）技术成为提高功率因数行之有 效的方法，本文主要介绍了有源功率因数校正电路（APFC）的工作原理，并基于L6562芯片设 计了一种实际应用的有源功率因数校正电路，分析了该电路的工作原理，着重说明了 L6562外 围电路的参数选择与设计，与以前采用的功率因数补偿电路相比较，该电路简单，功率因数补 偿效果显著，电流的总谐波失真（THD）小于10%,功率因数可以大幅提高到0.99以上；一个 设计良好的APFC应用电路，能达到延长电气产品寿命、减少用电设备对电网的干扰、提高用电 效率的目标。关键词：功率因数 有源功率因数校正 L6562 电路应用中图分类号：TM712文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）01 （b） -0093-04传统的AC-DC电源转换电路，一般由抗电磁干扰EMI电路、整流桥整流后电解电容滤波组 成。为保证需要的稳定的直流电压，采用大容量的电解电容，导致流经整流二极管的电流非典 型的正弦波而是断续导通，形成大量的多次谐波，导致交流电网电压畸变。随着大功率电子设 备及产品的广泛使用，电网受到谐波电流和谐波电压的污染日益严重，功率因数低，导致电能 利用效率降低。功率因数校正电路，又根据英文名称简称为PFC （Power Factor Correction）电路，采用 设计良好的PFC电路，可提高整个电路的功率因数，进而有效提高电网的供电质量，改善用电 设备的用电环境，保障设备的使用安全及提高设备的使用寿命，并可节约电能，减少电费开支。 同时可减少电网的功率损失，提高电网的输电效率。1 功率因数校正电路的技术发展以前通常采用无功补偿、无源、有源滤波器等方法改善电网环境。传统的功率因数校正方 法，为缩小电源输入的电流波形与电压之间相位差，通过外加合适的感、容元器件，可提升功 率因数到0.70.8。改进的PPFC功率因数校正电路称为无源功率因数校正，其特点是利用整 流桥后面的PPFC电路来大幅度增加整流管的导通角，使输入电流从尖峰脉冲变为接近于正弦波 的波形，功率因数能提高到0.9；与传统的电感式无源功率因数校正电路相比，其优点是电路 简单，功率因数补偿效果显著，并且在输入电路中不需要使用体积大重量沉的电感器件。但也 存在着整流输出电压随电网电压波动而波动，影响产品的性能和寿命，以及电路中总体谐波含 量仍较大的问题。近年来，集成电路控制的有源功率因数校正（APFC ）技术成为提高功率因数行之有效的方 法，有源功率因数校正电路可以很好的解决以前功率因数矫正电路存在的问题，电流的总谐波 失真（THD）可以小于10%，功率因数可以大幅提高到0.99以上，因而在越来越多的产品中得 到应用。2带有APFC电路的直流电源2.1带有APFC电路的电源功能框图如下有源功率因数校正电路产品中，输入电源通过EMI电路滤波、桥式整流后，通过有源功率因数校正电路后升压为380V左右的直流电压，为电气设备的应用电路提供各种稳定的直流电源。2.1.1 APFC功率因数校正电源电路下图2为APFC功率因数校正电源电路的拓扑结构图，使用典型的BOOST升压型开关电路。3 L6562的功能介绍3.1 L6562的芯片电路结构目前普遍使用的APFC集成电路很多，主要是美国国际整流器公司（International Rectifier） IR的MC33262、意法半导体公司（ST）的L6561/L6562等。现就ST公司的 L6561/L6562的应用进行说明，该IC内部框图如下。3.2 L6562的引脚及其引脚说明3.3 L6562功能说明3 . 3 . 1误差放大器及过压检测模块（见图5 、图6 ）集成电路1脚INV为误差放大器的反相输入端，PFC输出直流电压通过电阻分压后，反馈 的分压电压加到这个引脚，通过该引脚与内部的误差放大器（-）端相连，误差放大器（+）端 接基准电压2 . 5V 。误差放大器通过比较输出反馈信号电压和基准电压，同时将差值信号放大后 通过控制开关管通断维持输出电压稳定。IC 2脚COMP是误差放大器的输出引脚。该引脚和1 脚INV之间连接一个补偿网络，确保电压控制环路的稳定性，以获得高功率因数和整个电路较 低的整体谐波含量THD.， IC 1脚同时具有过压检测功能。输出电压瞬态过压时，连接到1、2 脚之间补偿电容的由瞬态电流增大，电流到37uA时，通过乘法器控制降低开关管打开时间以减 少输出电压数值。如果输出电压异常偏高，导致该电流超过40uA时，1、2之间电容通过电流 比较器检测后关断开关管，确保输出电压不出现过压的异常状态。3.3.2 零电流检测和触发模块（见图7）过零电流采样信号由升压变压器上二次绕组产生。当升压变压器绕组内电流接近零时，触 发IC内部MOSFET驱动电路，驱动开关管MOSFET导通。3.3.3 乘法器模块 （见图8）整流桥整流后电压通过分压电阻分压后加到3脚，用于为乘法器输入端提供正弦波参考信 号，乘法器的另一输入端接误差放大器的输出信号，乘法器输出的波形为整流过的正弦波。通 过连接在开关管MOSFET源极S与GND之间的电阻RS检测流过开关管MOSFET的电流，该检测电 压信号连接到4脚，与IC内部乘法器产生的正弦波信号相比较后，决定MOSFET的关闭，控制 开关管的峰值电流。3.3.4电流比较器和PWM锁存器及开关管保护功能（见图9）通过连接在开关管MOSFET源极S与GND之间的电阻RS检测流过开关管MOSFET的电流， 信号通过脚4加到电流比较器，通过和乘法器的输出信号进行比较，来决定外部MOSFET的关断 时间。为避免干扰，将比较信号进行锁存。同时乘法器的输出信号端连接有1.7V的稳压管，当 取样电阻RS上的电压超过1.7V时，直接关断开关MOS管，起到保护开关管的作用。3.3.5开关管MOSFET驱动模块（见图10）集成电路IC7脚为开关管驱动脚，该端高电平时开关管导通，低电平时，开关管截止。4 ST L6562的实用电路设计4.1 实用电路图4.1.1电路说明上图是L6562的实用电路，220VAC市电经过电容CX1、CX2与共模电感T1组成的EMI电路 后，通过整流桥BD1整流，整流后通过主要由升压变压器T2、PFC IC U1 （L6562）、开关MOS 管M1、升压二极管D2组成的APFC电路及电解电容C18滤波后输出400V直流电压为后面应用 电路提供稳定的400V直流供电。4.2 L6562外围电路基本参数设计说明：4.2.1 IC供电电压电路通过L6562的8脚VCC为集成电路提供15V左右的直流工作电压，该直流电压通过IC 内部的电压调节器为芯片内部供给所需电压。Vcc的提供可采用两个方法。一可以通过升压变 压器的零电流取样绕组提供。二可以通过直流400V应用电路。所提供电压通过15V稳压管D1 稳压，确保集成电路L6562电源电压的稳定。4.2.2正弦波波形取样电路通过整流桥整流后的电压通过电阻R11A、R11B、R11C、R12组成的分压取样电路，在电阻 R12形成正弦波波形取样电压信号，该信号通过电容C12抗干扰滤波后接入L6562的3脚（MULT）。分压电路设计中，因每个SMD0805贴片电阻最大耐压150V，使用R11A、R11B、R11C 三个贴片电阻，确保分压电路安全可靠。4. 2. 3电流过零检测电路当升压变压器绕组内电流接近零时，升压变压器内电流过零检测是通过升压变压器的二次 绕组采样后，经过电阻R16送到U1 L6562的5脚（ZCD），触发IC内部MOSFET驱动电路，驱 动开关MOS管M1导通。4.2.4开关MOS管电流检测电阻R29用于检测开关MOS管电流，MOS管电流大小通过该电阻后，产生检测电压输送到 U1（L6562）4脚（CS），通过IC内部乘法器产生的信号比较后控制开关管M1关断。4.2.5输出电压反馈电路电阻R21与电阻R18AD构成输出电压分压采样电路，R21上的输出采样电压直接加到U1 (L6562) 1脚(INV)，通过U1内部电路将输出电压维持在稳定的400VDC。分压电阻根据以下公式进行设定：如根据设计需要更改输出电压数值，可参照以上公式进行参数变更。为保证产品耐压， R18AD设计中使用4个SMD0805贴片电阻，如更换为SMD1206贴片电阻，数量可以使用3个。4.2.6反馈补偿电路网络U1 (L6562) 2脚(COMP )和1脚INV之间连接一个C2 (luF)作为误差放大器输出端与输 入端之间反馈补偿，用于维持电路的稳定性。不同功率的电路，可通过调整反馈电容容量，确 保电压控制环路的稳定性及获得高功率因数和整个电路较低的整体谐波含量THD。对于功率大 于100W的电路，可在C2两端并联一阻容网络更好的改善电路的功率因数。5结语以上是对有源功率因数APFC应用电路的基本分析，一个良好的APFC电源电路，需要参照 选用的集成电路要求进行综合设计。设计良好的APFC电路，最终能达到延长产品寿命、减少产 品对电网干扰、提咼用电效率达到节能的目标。.IL1 A fib rn11 Fh1| 4呼 W |1 sons|1f|1;!el Hl f 冋tNV )fMm?1I4M357MULT6cs c4gJ mZCDn- JRd卅谢更申4T r1IWb側3HUics5:CD3G监CD3电辭iftbSHK斤輯艇ffl!参考文献1 毛兴武，祝大卫功率因数校正原理与控制IC及其应用设计M.北京：中国电力出版社,2007： 1567.2 芯片资料：L6562 TRANSITION-MODE PFC CONTROLLER, ST CORPORATION DATASHEET3 芯片资料：L6561POWRE FACTORCORRECTOR, ST CORPORATION DATASHEET