500W功率因数校正电路设计

500W功率因数校正电路：

功率因数校正的工作原理
1功率因数的定义
功率因数（PF）是指交流输入有功功率（P）与输入视在功率（S）的比值。其可以用公式（1）表示。
              （1)
式中，I1表示交流输入市电的基波电流有效值；Irms表示交流输入市电电流的有效值；γ=I1/Irms，表示交流输入市电电流的波形失真系数；cosφ表示交流输入市电的基波电压和基波电流的相移因数。

所以功率因数可以定义为交流输入市电电流的波形失真系数（g）与相移因数（cosφ）的乘积，即功率因数PF主要由两个因素决定：一是交流输入市电的基波电流与基波电压的相位差φ；另一个是交流输入市电电流的波形失真因数γ。而传统的功率因数概念是在电阻为线性负载，并假定输入电流无谐波电流（即I1=Irms或交流输入市电电流的波形失真系数g=1）的条件下得到的，这样功率因数的定义就变成了PF=cosφ。

交流输入市电的cosφ低，表示用电电器设备的无功功率大，供电设备的利用率低，供电设备的导线、变压器绕组损耗大，降低了供电线路的使用效率。电流波形失真系数g值低，则表示输入电流的谐波分量大而基波电流的幅度小，将造成输入电流的波形畸变，对电网造成污染，严重时还会造成用电电器设备的损坏。

由于常规整流装置使用非线性器件（例如，整流二极管或可控硅），整流器件的导通角小于180o，从而产生大量的谐波电流成分。而谐波电流成分不做功，只有基波电流成分做功，所以相移因数cosφ和电流波形失真系数(γ)相比，γ对供电线路的功率因数影响更大。

2 谐波电流对电网的危害
由于常规整流装置（如二极管或可控硅等整流器件）的使用，使交流输入电流波形中含有大量的谐波电流成分，大量的谐波电流倒流入电网（称为谐波幅射：Harmonic Emission）会对电网造成“污染”，产生以下不利影响。

①谐波电流的“二次效应”，即谐波电流流过线路阻抗而造成的谐波电压降反过来会使电网电压波形（原来是正弦波）发生畸变。

②过大的谐波电流会引起供电线路故障，从而损坏用电设备。例如，过大的谐波电流会使线路和配电设备过热，还会引起电网LC谐振，或高次谐波电流流过电网的高压电容，使之过电流、过热而导致电容器损坏。

③在三相四线制电路中，三次谐波在中线中的电流同相位，导致合成中线电流很大，有可能超过相线电流，中线又无保护装置，使其因过热而引起火灾，从而损坏电气设备。

④谐波电流对自身及同一系统中的其他电子设备会产生恶劣的影响，例如，会引起电子设备的误动作和故障等。

3 功率因数与总谐波失真系数（THD）的关系
电路总谐波失真系数（THD）可以利用公式（2）来计算。
     （2）
方波电压的各次谐波电压的叠加分解图（高至9次谐波）如图1所示。

图1  方波电压的各次谐波电压的叠加分解图（高至9次谐波）

方波电压可以用函数表达式（3）来表示。
(3)
由功率因数（PF）的定义：
及公式（2），有公式（4）成立。
 （4)
即，           （5)
从上面的讨论可以看出，功率因数是和交流输入市电电流的谐波成分有关的，利用总谐波失真系数和电流波形失真因数之间的关系式可以得到公式（6）。
     （6)
当交流输入市电的电压、电流同频和同相位时，有cosφ=1，相应有公式（7）成立：
 (7)

对纯正弦波电压和电流而言，由于它的总谐波成分为零，所以波形失真系数为1，并且正弦波电压和电流之间相位差φ为0，从而电源输入侧的功率因数就为1，如果正弦波电压和电流之间相位差φ不为0，则电路的功率因数是他们相位差φ的余弦值。

当φ=0时（为计算方便），功率因数与THD间存在如表1所示的关系。可见，当THD≤5%时，功率因数可控制在0.999左右。

4 功率因数校正实现方法
要提高功率因数，有两个途径：
① 使输入电压、输入电流同相位，此时cosφ=1，所以PF=g。

② 使输入电流正弦化，即Ii=I1（谐波为0），有I1/Ii=1，即PF=g×cosφ=1。

FAN4810的特点与应用

1 FAN4810的技术特点
① 满足UL1950要求的三重故障检测（TriFault Detect）技术要求，增强了电路工作的可靠性；

② 摆率增强跨导误差放大器可以满足快速的PFC响应；

③ 低功耗，启动电流为200μA，工作电流为5.5mA；

④ 总谐波失真THD小，功率因数PF值高；

⑤ 工作于平均电流，电流连续（CCM）升电压前沿PFC控制工作方式；

⑥ 内部的电流前馈增益调制器可以改善电路的抗干扰特性；

⑦ 过电压和交流输入市电电压过低保护，欠电压锁定输出（UVLO）和软启动；

⑧ 同步时钟输出。2  FAN4810的工作原理
FAN4810工作于前沿平均电流、电流连续（CCM）升电压输出工作模式，内部的三重安全检测技术可使电路免受由于某个电路元器件的损坏而使电路处于不正常工作状态；栅极输出驱动能力高达1A，因而无须外接功率MOSFET驱动电路；低功耗特性改进了电路的工作效率，并降低了元器件的损耗。FAN4810还具有峰值电流限制功能，利用内部的交流输入电压过低保护和输出过电压保护电路，在输出负载突变的情况下通过内部的过电压比较器可以关断PFC电路的工作，输出时钟信号可用于同步下级PWM电路，以降低电路工作躁声。FAN4810的引脚图如图2所示，其工作原理框图如图3所示，FAN4810引脚功能如表2所示。

图2  FAN4810引脚图

图3  工作原理框图

3 采用FAN4810的500W/PFC设计
下面介绍采用FAN4810的500W功率因数校正电路设计的有关方法，电路工作原理图如图4所示，该500W输出电路的PFC输出电压为400VDC，输出电流为1.25A，交流输入市电电压适应范围为90～264VAC。

图4  采用FAN4810的500W有源功率因数校正电路的电路原理图

①  500W/PFC电路技术指标
　　输出功率：500W
　　VMIN=80VAC（RMS）
　　VMAX=264VAC（RMS）
　　工作效率η=0.93
　　VO=400VDC
　　VO-MIN=300VDC
　　开关工作频率fs=100kHz
　　保持时间THDL=20ms
　　THD（总谐波失真）=5%
　　dI纹波=20%纹波电流
　　交流输入市电频率=60Hz

② 功率回路元器件的选择
FAN4810可用于任何工作于电流连续导通工作模式（CCM）下的PFC应用场合，可以满足IEC 3000-3-2的有关技术要求，下面介绍有关功率回路元器件（升电压电感、输出电容和有关功率开关器件）的计算方法。

● 升电压输出电感参数的计算
FAN4810工作于电流连续导通工作模式（CCM）以降低峰值电流和提高可用的输出功率。升电压输出电感参数与电流变化、高频电流的峰峰值有关，电流变化??应在最大电源市电输入电流峰值的20%以内。
              (8)
                    (9)

           (10)
式中，I_LINE_PK表示在电源市电供电电压低时的输入峰值电流；VMIN表示电源市电供电电压低时的有效电压值；PO表示输出功率；η表示工作效率；参数I_LINE_PK将决定ΔI的取值；I_LMAX表示通过PFC电感的最大电流值；dI表示指定的电流变化百分比。

影响输出升电压输出电感参数选取的其他因素是占空比D和开关工作频率fs，占空比D的计算见公式（11），电感L参数计算见公式（12）：
             (11)
             (12)
● 滤波电容参数的选取
影响滤波电容参数选取的主要因素是保持时间（Thld），是指在电源供电断开后电源输出指标仍在指定范围内的时间。供电断开后，下级变换器的供电仍由滤波电容所存储的电能Jthd供电，在保持时间内滤波电容上的电压逐步下降。

● 功率元器件的选择
升电压输出二极管D1和PFC功率开关管Q1可以根据500V的额定值或大于400V的PFC输出直流电压的原则选择。I_LMAX_PK=10.45A也是升电压输出二极管D1和PFC功率开关管Q1的峰值电流，具体的型号选取和PFC电路的应用环境有关，例如，PFC电路的价位、通风情况、散热器的尺寸等因素有关。

PFC电路应用要点
电路工作原理如图4所示，通过电阻R13、R14对电容C15的充电，FAN4810的启动过程就开始了。PFC开关管通过输出升电压电感L1对电容C5充电至400V，L1的辅助绕组通过D3、D4、C12和C16的整流滤波作用使FAN4810的VCC引脚得到+15V的稳定供电电压。为了使电路稳定工作，需在FAN4810的VCC和VREF引脚加接高频旁路电容，最好使用低等效串联电阻（ESR）的瓷片电容或薄膜电容。在输出升电压功率开关管Q1导通前，应确保通过二极管D2快速的将电容C5充电至交流峰值电压，以确保PFC电路的启动。电容C5上的直流电压值应确保大于输入的交流输入市电电压的峰值电压。Q4、R16和C20组成软启动电路，误差放大器的输出电压VEAO通过Q4为电容C20充电，一旦电容C20上的电压被充到VREF，Q4关断，PFC电路的脉冲占空比正比于电压VREF。当VREF=0时，PFC电路的脉冲占空比为0。

采用FAN4810的500W有源功率因数校正电路的电路原理如图4所示，电路工作效率和THD与输出功率的特性曲线如图5所示，经功率因数校正后输入的交流市电电流波形如图6所示。

图5  工作效率和THD与输出功率的特性曲线

图6  经功率因数校正后输入的交流市电电流波形