功率因数校正(PFC)升压变换器(亦称PFC预调整器)越来越多地应用于开关电源、变频调速器和荧光灯交流电子镇流器中。基于PFC控制器IC的PFC升压变换器,就流过升压电感器电流的方式而言,共分为三种类型:(1)不连续传导模式(DCM);(2)连续传导模式(CCM);(3)临界传导模式或过渡模式(TM)。三种模式的PFC升压变换器,都可轻而举地将功率因数(PF)由未插入PFC电路时的0.55 0.65提高到0.98以上,乃至接近于1(如PF>0.995)。但是,AC线路输入电流的总谐波失真(THD)却远不能达到接近于零的水平。不论工作于何种模式的PFC预变换器,尽管能完全或基本达到IEC6100-3-2的限制要求,但仍不能满足某些特殊场合的需要。工作于DCM的PFC电路,THD<15%;工作于CCM的PFC电路,THD<10%(可达6%);工作于TM的PFC变换器,THD值介于DCM与CCM之间。常规PFC预调整器的THD能否还能降低呢?答案是肯定的。下面以基于ST公司L6561控制IC的工作于TM的PFC升压变换器为例,电路还可以优化,使THD降低到最小化。

影响THD进一步降低的因素

探求THD最佳化电路,必须找出影响THD进一步降低的主要原因。

以采用L6561作为PFC控制器并工作于TM的PFC升压变换器如图1所示。该变换器的AC输入电压范围为85 265V(适用国际供电线路),DC输出电压VO=400V,输出功率PO=80W。在Vin=220Vac和PO=80W,THD=8%,PF=0.98。图2示出了实例各次谐波(n≤39)分量值与IEC6100-3-2标准C类和D类限制值之比较。

究竟是哪些因素影响PFC升压变换器的THD不能低于8%?经过试验和分析找到了以下两个主要原因:

(1)跨越失真

所谓跨越(Crossover)失真,是指在桥式整流器的AC输入电压在过零时,AC输入电流的正弦曲线波线出现畸变,形成了一小段水平部分(与时间轴重合),也就是产生了导通死角。产生导通死角的原因来自整流器输出端的高频滤波电容(即图1中的C1)。这只电容在PFC升压变换器中不可缺少的。尽管该电容数值较小(≤1 F),但它不能充分放电使其两端的DC电压变为零则又开始被充电。在瞬时AC电压较低时,C1上的残留DC电压使整流器中二极管反向偏置;导致二极管主通角变化,于是使电流波形在AC输入电压跨零附近出现畸变,产生平直部分。必须指出的是,即使C1=0,由于整流二极管存在一个导通阀值电压(约0.6V),其导通角也不可能等于180O(即 /2弧度),故THD不会降低到零。

还有一个因 PFC开关MOSFET漏极节点存在的由升压电感器绕组寄生电容、MOSFET的电容Coss和升压二极管(D1)PN结构电容共同决定的电容Cd。由升压电感器在电流过零时的贮能很小,升压二极管在若干开关周期之内不会因正偏而导通,从而使能量寄存于Cd与升压电感(L)组成的槽路中,结果导致C1放电速率变缓,使AC输入电流波形的平直部分向后提前和延伸,造成导通死角增大,使THD恶化。

(2)L6561误差放大器输出纹波失真

L6561误差放大器输出应该是一个DC电压,出现任何AC成份与乘法器输入在乘法器中相乘的结果都会产生高次谐波成份。事实上,PFC升压变换器DC输出电压有一个呈正弦波形的纹波,其频率恰为AC主线频率的2倍(即2f2),PFC升压变换器DC输出电压经电阻分压器(即图1中的R7与R8)分压馈送到L6561误差放大器的反相输入端(脚1),在误差放大器输出Comp(脚2)上的DC电压必然会迭加一个2fL频率的纹波成份△VCOMP。L6561在占空因数为0时误差放大器输出是2.5V,误差放大器输出纹波对THD产生的影响为:THD(%)=50△VCOMP/(VCOMP-2.5V)。

THD最低化电路

用L6561作控制器的80W PFC预调整器的THD最低化电路如图3所示。与图1所示的PFC变换器比较,图3电路只增加了少量元件,组成两个THD抑制电路。

(1)跨越失真减小器

在图3电路中的上部虚线框内的220 和150k 的电阻、10 F电容和二极管IN4148,组成跨越失真减小器电路。IN4148负极(A端)通过电阻R2连接升压电感器的辅助绕组。IN4148与10 F电容能使L6561电流传感器的输入端CS(脚4)产生一个负失调电压,并且该电压与主线电压成正比(具体由T的匝数比决定)。跨越失真减小器电路的作用是处理过零附近的剩余能量,使电容C1能够充分放电,致使在C1上的DC残留电压趋于零,从而减小整流二极管导通死角,缩短AC输入电流波形的平直线段,使电流波形趋于正弦曲线。其结果是THD由未加入该电路时的8%降至5%以下。

(2)纹波补偿器

在图3所示的电路中,从L6561误差放大器输入(脚1)及R7和R8的中间点到L6561的乘法器输入(脚3)之间连接的电容Cc和22k (1%)的电阻,组成纹波补偿器电路(即下部虚线框内部分)。该电路能使迭加在误差放大器输出(脚2)上的2fL纹波产生的三次谐波电流降至最小化,并且同样对PF的影响甚微。

单就纹波偿器而言,在满载下可使误差放大器的输出纹波减小50%以上,THD降低可达35%。

在图3所示的PFC升压变换器中,与图1示出的PFC电路相比,只是增加了几个廉价的电阻、电容和二极管,则有效地抑制了交越失真和控制器IC的误差放大器输出纹波。其结果是,在85 265V的宽输入电压范围上和满载(PO=80W)下,将THD限制在3%以内,达到THD超低化水平。