一、引言

　　在通信用開關(guān)電源系統(tǒng)中，為了減少輸入電流諧波，降低其對電網(wǎng)的污染，同時有利于后級DC-DC變換電路的穩(wěn)定工作，交流輸入側(cè)多采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)。功率因數(shù)是一項非常重要的指標(biāo)，定義為有功功率和視在功率之比，理想情況下其值為1。然而普通開關(guān)電源的功率因數(shù)并不高，其原因是：交流輸入經(jīng)整流、大電容濾波后，僅在交流電壓正弦波頂部附近濾波電容被充電，使得輸入電流呈現(xiàn)脈沖波形。這種電流的基波是和輸入電壓同相位的，產(chǎn)生有功功率。但電流波形中較大的高次諧波與輸入電壓既不同頻也不同相從而產(chǎn)生無功功率，通常功率因數(shù)很低。較低的功率因數(shù)不僅降低了電源利用率，同時因諧波電流流過線阻抗引起交互干擾，產(chǎn)生EMC 難題；大諧波電流增大了傳輸損耗的同時也給電網(wǎng)帶來了危害，并可造成線路過載?？梢姡β室驍?shù)對通信系統(tǒng)中設(shè)備高效、安全、穩(wěn)定的運行有著直接影響。

　　提高功率因數(shù)簡單的方法是無源補償法，但由于無源法中應(yīng)用的器件體積大而笨重且性能指標(biāo)不理想，目前的方法是采用有源功率因數(shù)校正技術(shù)（APFC）。與無源校正相比，有源功率因數(shù)校正電路抑制諧波效果更明顯，總諧波含量可抑制在5%以內(nèi)，功率因數(shù)可達到0.9以上，接近單位功率因數(shù)。
　　
二、APFC電路的基本原理

　　單相有源功率因數(shù)校正電路的控制主要包括應(yīng)用乘法器的電流連續(xù)工作方式（CCM）和射隨器的電流非連續(xù)工作方式（DCM）。輸出功率在700W以上電源目前主要以CCM方式為主，主電路拓?fù)涠嗖捎蒙龎海╞oost）變換器,這主要是由于boost變換器具有輸入電流小、效率高、輸入電壓范圍寬的優(yōu)點；同時儲能電感也可作為濾波器抑制RFI和EMI噪聲。基本工作原理見圖1，其中的boost變換器工作于CCM方式，可以看出，控制電路采用了電壓、電流雙閉環(huán)控制，電流反饋網(wǎng)絡(luò)的取樣信號是升壓變換器的電感電流，電壓反饋網(wǎng)絡(luò)的取樣信號是變換器的輸出電壓。正比于輸入電流的取樣信號與乘法器的輸出進行比較，經(jīng)處理轉(zhuǎn)換成PWM脈沖，控制功率管S導(dǎo)通或關(guān)斷。功率管導(dǎo)通后，電感電流線性上升。當(dāng)取樣電流與參考電流相等時，控制器使功率管關(guān)斷，此時電感的自感電勢使二極管D導(dǎo)通，儲能電感L通過二極管D對電容C放電，電感電流線性下降。隨后第二個開關(guān)周期開始，重復(fù)上述過程。通過對電感電流進行采樣并實施控制，使電感電流的幅值與輸入電壓同相位的正弦參考信號成正比，從而達到功率因數(shù)校正的目的。同時根據(jù)輸出電壓反饋，利用乘法器電路來控制正弦電流，以獲得穩(wěn)定的電壓輸出。

 

三、關(guān)鍵電路設(shè)計與實例

　　實例中涉及到的有關(guān)設(shè)計數(shù)據(jù)有：

3.1　功率級電路分析

　　由于穩(wěn)態(tài)時一個周期內(nèi)電感的平均電壓為零，即維持伏秒平衡，于是有

式中：　　　
T_ON--功率管S導(dǎo)通時間

T_OFF --功率管S關(guān)斷時間
輸出電壓　　　

式中：D—功率管S的導(dǎo)通占空比，

因D總是小于1，所以

占空比　　　　　

因輸入電壓　　　

故　　　　　　　　

　　說明在半個電網(wǎng)周期內(nèi)占空比是時變的。且在電網(wǎng)電壓過零時達到，在電網(wǎng)電壓的峰值處降到。
其中電感電流為：　　　　

設(shè)

　　若

則由上述（7）、（8）式得到

　　電感的設(shè)計還包括磁芯材料與規(guī)格的選用，以及銅損、鐵損估算等，因篇幅限制，本文不再詳述。

3.4輸出電容設(shè)計

　　決定輸出電容的選擇因素有:電容耐壓、輸出電壓紋波、以及維持時間。通常

　　式中維持負(fù)載工作的電壓=300V(由后級DC-DC變換器設(shè)計輸入決定)，

　　于是輸出電容

　　因輸入功率是瞬時電壓與電流的乘積，故進入輸出電容的功率是正弦變化的，當(dāng)輸入電壓高時儲存能量，輸入電壓低時則釋放能量以保持輸出功率不變。這一變化的能量流在輸出電容上引起二次諧波電壓紋波，故此，輸出電容必須承受與控制二次諧波電流，即紋波電流。
　　紋波電流

　　代入本例數(shù)據(jù)I=（0.707 870）/（380 0.95）=1.7A
　　根據(jù)輸出紋波電壓設(shè)計要求，結(jié)合紋波電流大小，計算輸出電容等效串聯(lián)電阻（ESR）值。

　　對于輸出電壓小于400V的PFC電路,通常選用耐壓500V的MOSFET，本文實選器件為IRFP460（20A/500V）。
　　2) 功率二極管選擇依據(jù)
　　功率二極管電流定額為

代入實例相關(guān)參數(shù)

　　功率二極管電壓定額為

本例中實選器件為BYV29（9A/500V）

3.6　電流取樣電阻R 的設(shè)計

　　APFC電路的輸出功率是由流過電流取樣電阻上的峰值電流決定的。

　　電流取樣電阻選擇應(yīng)保證在低電網(wǎng)電壓輸入且負(fù)載條件下，其壓降?。ㄍǔＰ∮?V）、耗散功率小的要求，從而減少電網(wǎng)電壓損失且提高電源效率。
　　電流取樣電阻的取值由下式?jīng)Q定

　　在本例控制電路中

 　于是得到

3.7 雙閉環(huán)控制電路頻率補償

　　雙閉環(huán)控制目的是使輸入電流跟隨輸入電壓的變化，并使輸出紋波小、輸出電壓穩(wěn)定。

　　1）電流環(huán)的補償

　　電流環(huán)設(shè)計的目標(biāo)是保證輸入電流以的相位與波形失真跟蹤輸入電壓，為此帶寬必須足夠大，同時為了電路穩(wěn)定，必須對電流環(huán)路進行補償。極點通常加到放大器接近開關(guān)頻率的響應(yīng)點，以減少噪聲敏感度。本電路交越頻率選在10kHz。
　　2）電壓環(huán)的補償

　　電壓環(huán)的帶寬由輸入失真的總量決定，輸入失真由輸出紋波電壓造成。對電壓環(huán)的要求，實際上是為了保持輸入電流失真，同時電壓環(huán)必須適應(yīng)輸入電壓以及負(fù)載電流的變化。通常該級帶寬大約為10Hz左右。環(huán)路響應(yīng)太快，將干擾電流環(huán)的調(diào)整，引起輸入電流的畸變；響應(yīng)過慢，在輸入電網(wǎng)以及負(fù)載變化時將會導(dǎo)致過高的瞬態(tài)輸出電壓。

3.8 實驗結(jié)果

　　根據(jù)上述理論，成功設(shè)計了一種通信用高頻開關(guān)整流模塊，功率因數(shù)校正的實驗結(jié)果如圖2、3所示。圖2中波形2表明輸入電流已校正為正弦波，輸入功率波形A為100Hz正弦波，驗證了上述的理論分析；圖3中“Limit[mA]”為標(biāo)準(zhǔn)限定值， “Measurement[mA]”為樣機實測值，測試數(shù)據(jù)表明輸入電流諧波得到了有效抑制。

 

 

 圖3

四、結(jié)語

　　本文討論了APFC電路在通信用電源系統(tǒng)中的應(yīng)用，著重分析了工作原理及設(shè)計過程。實驗結(jié)果表明實現(xiàn)了高功率因數(shù)的校正，測試指標(biāo)達到了設(shè)計要求。