APFC重点笔记.docx

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APFC重点笔记

功率因数校正技术的关键就是强制电流按照电压的正弦规律变化而变化，从而达到提高功率因数目的。

实施功率因数校正有如下好处:

（l）为软开关技术的应用提供有利条件，提高电磁兼容性指标;

（2）减小电流谐波，降低对其他设备的干扰;

（3）提高电网设备的利用率;

（4）提高电网设备的安全性

目前研究的两级电路是由两级变换器组成：

第一级是PFC变换器，目的在于提高输入的功率因数并抑制输入电流的高次谐波：

第二级为DC／DC变换器，目的在于调节输出稳定以便与负载匹配。

由于两级结构的每级分别有自己的控制环节，所以电路有良好的性能。

它具有功率因数高、输入电流谐波含量低，以及可对DC／DC进行优化设计等优点。

但两级PFC电路也有两个主要缺点：

一是由于有两套装置，增加了器件的数目和成本；二是能量经两次转换，电源的效率也会有所降低。

因此，两级电路一般应用于功率较大的电路中。

两个变换器共用一套开关管和控制电路，因此单级PFC技术降低了成本，提高了效率，减小了电路的重量和体积。

单级PFC电路具有许多优点：

PFC级和DC／DC级共用一个开关管，共用一套控制电路，这就使得电路设计大为简捷，降低了硬件成本；变换中能提供任何选定的电压和电流比；由于功率实现的是一次性变换，所以能获得较高的效率和可靠性。

单级PFC电路正因为具有这些优良的性能而越来越得到广泛的研究和应用。

但是与传统的两级式变换器相比，单级变换器要承受更高的电压应力，有更多的功率损耗。

这个问题在开关频率较高时显得尤为突出，而且由于开关工作频率不断提高所带来的电磁干扰问题也日益严重，显著影响了变换器工作的可靠性和频率的提高。

单级方案中还存在储能电容电压过高的情况，而且储能电容电压随着输入电压及负载的变化而升高，这将会导致电路的稳态特性受到一定的影响，同时某些元器件的体积成本会有所提高，这都是期待解决的问题。

所以对于小功率的场合，由于成本及体积的限制.一般采用单级功率因数校正电路。

最早PFC技术是采用电感器和电容器构成的LC无源滤波网络进行功率因数校正的。

最简单的无源功率因数校正变换器是在二极管整流桥后添加电感器或是在整流桥前增加LC滤波网络，如需进一步改善输入电流波形，可将滤波电容加在整流桥后，这时的二极管的导通角增大，从而使输入电流波形得到进一步改善。

无源PFC技术的主要优点是：

电路简单，工作可靠、高效、电磁干扰（EMI）小、低价格，然而，无源方案的主要缺点是：

由于LC是低频滤波电感和滤波电容，因此滤波电感和滤波电容的值较大，因此体积较大，电路往往较笨重，而且难以得到高的功率因数（一般可提高到0.9左右），输入谐波电流的抑制效果也不是很好。

有源功率因数校正的基本思想是:

将输入交流电压进行全波整流，在整流电路与滤波电容之间加入DC/DC变换，通过适当控制（PWM）使输入电流的波形自动跟随输入电压的波形，即将输入电流校正为输入电压同相位的正弦波，使输入阻抗呈纯阻性，从而实现稳压输出和单位功率因数输入，使PF提高到近似为1.0。

有源功率因数校正的缺点是电路比较复杂，成本较高，响应较慢，输出电压纹波较大等问题，它们的实际应用受到一定的局限。

但是有源功率因数校正的效果好，所以得到了广泛的应用。

由于APFC电路要求既能控制输入电流波形呈正弦波，又要能够对输出电压进行稳定控制，也就是需要同时满足两个相互矛盾的特性，就必然会造成瞬态响应的恶化。

例如传统的开关电源在负载和电网电压变化时，能瞬间改变脉冲宽度，使输出电压保持恒定。

而APFC电路却需要把输入交流波形调节成正弦波，所以至少要延迟半个周期的时间来保持同一控制方式，其结果必然会造成输出电压稳定时间的恶化，脉动电压也会增大，比传统的开关电源的脉动电压会大数十倍。

功率因数修正电路通过一定的控制方法让输入电流自动跟随输入电压的正弦波形变化，通过乘法器将输入电压和控制电压作乘法运算，作为输入电流跟随变化的控制信号，与不连续导通模式相比，电感电流始终处于连续的状态。

整个控制电路由内环电路和外环电路两部分组成。

内环电路为电流控制回路，通过适当的控制电路使输入电流自动跟随正弦控制电流，从而实现功率因数校正。

采用连续导通模式，电感电流不会下降至零，在每一个开关周期中，电感剩余的能量都将存储在输出电容中。

外环电路是电压控制回路，当负载发生变动时，通过乘法器调节控制电流的幅值，使得输出电压恒稳。

乘法控制PFC技术

Boost变换器工作在连续导通状态，储能电感器L的电流就是输入电流。

因模拟乘法器引入一个输入电流反馈控制环（电流传感器），电感器电流被采样并控制，使其峰值幅度与输入电压同相位的正弦波参考信号成正比，从而实现功率因数校正的目的。

另外，反馈输入电压信号调节稳定直流输出，当输入电压220V时候，直流输出电压值通常为400V左右。

电压跟随控制PFC技术

其中Boost变换器工作在不连续导通状态，开关由输出电压反馈误差信号控制。

开关频率不变，开关周期为常数。

因电感器电流峰值和平均值正比于交流输入电压，故输入电流波形自然会跟随输入电压呈正弦波形式，因此可以省掉输入电流控制环电路。

APFC的工作原理如下：

主电路的输出电压Vo和基准电压Vref比较后，输入给电压误差放大器，整流电压Vg的检测值和误差放大器的输出电压信号共同加到乘法器M的输入端，乘法器M的输出则作为电流反馈控制的基准信号，与电感电流（开关电流）检测值比较后，经过电流误差放大器加到PWM及驱动器，以控制功率开关SW的通断，从而使输入电流（即电感电流）Li的波形与整流电压Vg的波形基本一致，使电流谐波大为减少，提高了输入端功率因数。

有源功率因数校正器同时保持输出电压Vo恒定，使下一级开关电源设计更容易些。

三相单开关APFC电路拓扑

这种拓扑是一种不解耦的方案，但其低成本，线路简单性能较好仍获得很大的青睐。

很多文献讨论了三相单管PFC工作于不连续导通模式（DCM）下的工作原理，当开关S1闭合时，电感电流的绝对值从零线性上升电流峰值与开关时刻对应的输入相电压成正比；当S1关断时，续流二极管D导通，各相电感中储存的能量连同交流电源向直流侧电容及负载供电，各相电流绝对值减小。

其变化率与直流电压的大小、交流相电压的瞬时值还有整流桥的导通路径有关。

这阶段由于电流与电压不成正比，所以畸变较大，这是单开关无法克服的困难。

当三相电流均降为零后S1才能导通，实现零电流开通，并且没有升压二极管的反相恢复损耗，这就是不连续导通模式（DCM）的优点之一。

在整个电网周期内，各相电流峰值自动按相电压正弦规律变化

物理上在主电路拓扑中增加两个辅助开关，由于开关频率相对比S1，S2低很多，因此可以采用MOS场效应管。

增加占空比会带来输出电压的增加，但三相双开关电路由于中线的存在，电压不会太高。

主电路由单相桥式整流器和BoostDC-DC变换器组成；控制电路由电压环和电流环组成。

电压反馈环主要包括正弦全波整流电压Vi检测、直流输出电压Vo检测、与给定电压Vref比较、电压调节器Av以及乘法器M；电流反馈环包括输入电流IL检测以及电流调节器Ac。

Boost-PFC电路结构图

桥式整流器将交流电网电压Vac整流成直流脉动电压Vi作为Boost变换器输入电压，同时Vi通过比例环节Kvi检测，作为电流波形的基准Vi。

Boost变换器的输入电流通过比例检测环节KiL后经过电流调节器Ac，控制脉宽调制器，产生占空比序列d。

AC是一个比例-积分（PI）调节器，检测出的输入电流iL与基准电流iref相比较，其高频分量通过电流调节器Ac被均化处理。

与PWM的锯齿波比较后，给开关管VT发出驱动信号，并决定了其应有的占空比。

电流波形的误差被迅速而精确地校正，并与输入整流电压vi保持同相位，接近正弦波。

一般电流环有较高的增益带宽，使跟踪误差产生的畸变小于1%，容易实现接近1的功率因数。

同时，输出电压Vo经过比例检测Kvo然后同给定电压Vref比较，差值经过电压调节器Av，其输出信号Vc和输入电流检测信号Vi用乘法器综合，其乘积输出Iref作为电流参考信号作用于电流调节器，实现输出电压的稳定。

根据电感电流是否连续，有源功率因数校正技术（APFC）可分为不连续导通模式（DiscontinuousConductionMode-DCM）、连续导通模式（ContinuousConductionMode-CCM），以及介于两者之间的临界导通模式（CriticalConductionMode-CRCM）

DCM控制又称电压跟踪方法，它是PFC中简单而实用的一种控制方式，应用较为广泛，DCM控制模式的特点：

（1）输入电流自动跟踪电压并保持较小的电流畸变率；

（2）功率管实现零电流开通（ZCS）且不承受二极管的反向恢复电流；

（3）输入输出电流纹波较大，对滤波电路要求较高；

（4）峰值电流远高于平均电流，器件承受较大的应力,导致导通损耗和成本增加，只适合用在小功率场合；

（5）单相PFC功率一般小于200W，三相PFC功率一般小于10kW。

同时，功率因数与输入和输出电压的比值有关，当输入电压变化时，功率因数也将发生变化，所以，DCM方式的有源功率因数校正电路较少被使用。

CCM相对DCM其优点为：

（1）、输入和输出电流纹波小、THD和EMI小、滤波容易；

（2）、RMS电流小、器件导通损耗小；

（3）、适用于大功率应用场合。

CCM模式下的直接电流控制适用于大功率高性能要求的场合，这是单相大电流控制和功率PFC电路和三相PWM整流器控制策略的发展方向。

其主要的一个缺点在于高压快恢复二极管反向恢复带来的损耗比较高，影响整个系统的效率并造成一些EMI问题。

CCM模式下有直接电流控制与间接电流控制两种方式。

直接电流控制的优点是电流瞬态特性好，自身具有过流保护能力，但需要检测瞬态电流，控制电路复杂。

间接电流控制的优点是结构简单、开关机理清晰。

临界导通模式（CRCM）的单相Boost型有源功率因数校正电路工作原理。

误差放大器为基准乘法器提供一个误差输入信号，基准乘法器的另一个输入信号来自于交流市电输入电压经整流后输出直流电压的取样，基准乘法器的输出是这两个信号的乘积，是一个交流市电经全波整流后并乘了增益因子的全波整流输出电压，这个输出信号的幅度被维持在使有源功率因数校正电路的输出电压能保持恒定的电信号幅度范围内。

电流成形网络强迫它输出的电流信号波形跟踪乘法器的输出信号波形。

当有源功率因数校正功率开关管SW导通时，通过有源功率因数校正电感的电流上升，当有源功率因数校正功率开关SW的电流取样电压值上升到基准电压值时，通过有源功率因数校正器电感的电流停止上升。

这时，控制逻辑电路的输出状态发生变化，使有源功率因数校正功率开关管SW截止，通过电感的电流开始朝零的方向下降，直至下降为零（这点利用一个零电流检测电路来实现），控制逻辑电路的输出状态发生变化，使功率开关管SW导通，通过电感的电流又开始上升，如此周而复始。

CRCM的Boost型APFC的原理框图

CRCM的单相Boost型APFC的优点：

①无需斜坡补偿；②开关电流损耗小。

不足点：

工作于变频工作方式，EMI干扰问题需引起重视，这样对输入滤波电路的设计要求较高。

DCM的单相Boost型APFC（又叫电压跟随器-VoltageFollower）.该方式完全省掉了电流环，功率开关管SW由输出电压误差信号控制，开关周期为常数。

由于电感电流峰值基本上正比于输入电压，因此，输入电流波形将自然地跟随输入电压波形。

与乘法器型APFC电路相比，电压跟随器APFC电路可以直接采用常规的PWM来控制输出电压和同时获得接近于1的功率因数，因此控制电路简单，仅需一个输出电压来控制功率开关。

DCM的Boost型APFC的原理图

DCM的单相Boost型APFC的优点是：

功率开关管SW实现零电流开通且不承受二极管的反向恢复电流；电路简单，不需要乘法器，无需电流采样；简单的PWM控制。

该控制方法的缺点是：

由于电感电流不连续，造成电流纹波较大，对滤波电路要求高；有较高的开关峰值电流，这会带来较大的开关关断损耗。

CCM控制方式有直接电流控制和间接电流控制两种方式。

直接电流控制的优点是电流瞬态响应特性好，自身具有过流保护能力，但需要检测瞬态电流，控制电路复杂；间接电流控制的优点是结构简单，但自身无过流保护能力。

1间接电流控制

间接电流控制又称为相位幅值控制，是一种基于工频稳态的控制方法。

通过控制输入端电压，使其与电源电压保持一定的相位、幅值关系，从而控制输入电流呈正弦波形，且与电源电压保持同相位，使装置运行在单位功率因数状态。

间接电流控制的缺点：

（1）自身无限流功能，另需过流保护电路；

（2）系统从一个稳态向另一个稳态过渡时电流会出现直流分量；

（3）系统动态响应慢。

2直接电流控制

直接电流控制的基本思想就是将输入电压信号与输出电压误差信号相乘后作为电流控制器的电流给定信号，电流控制器控制输入电流按给定信号变化。

由于控制结构中含有乘法器，因此直接电流控制又称为乘法器控制。

根据检测电流不同，直接电流控制又分为电流滞环控制、电流峰值控制和平均电流控制三种控制方法。

电流滞环控制检测的是电感电流，并且有一个滞环比较器。

滞环比较器的特性和继电器特性一样，有一个电流滞环带。

当电感电流达到基准下限值Imin时，功率开关管SW导通，电感电流上升；当电感电流达到基准上限值Imax时，功率开关管SW关断，电感电流下降。

由电流滞环比较器的输出信号控制功率开关管SW的导通与关断。

电流滞环宽度决定了电流纹波的大小，它可以是固定值，也可以与瞬时平均电流成比例。

电流滞环控制法的优点是：

（1）功率因数高；

（2）开关电流定额小；（3）电流有效值小，EMI滤波器小；（4）输入电流失真小；（5）无需电流斜坡补偿。

电流滞环法控制的缺点是：

负载大小对开关频率影响甚大，由于开关频率变化幅度大，设计输出滤波器时要按最低频率设计，因此不可能得到体积和重量最小的设计。

电流峰值控制的单相Boost型APFC的取样电流取自开关电流或电感电流，电流峰值控制的单相Boost型APFC的工作原理为：

当电感电流或开关电流达到峰值（由电流基准控制）以前，功率开关一直处于导通状态。

桥式整流电压的取样值与输出电压和参考电压的误差放大信号相乘后由乘法器输出作为电流的基准。

开关电流（电感电流）达到峰值（由电流基准控制）时功率开关关断。

以后定频时钟再次使功率开关导通，重复上述过程。

电流基准为双半波正弦电压，令电感（输入）电流的峰值包络线跟踪输入电压的波形，使输入电流与电压同相位，并接近正弦。

这种电流峰值模式的优点是结构简单，响应速度快，但它有一个明显的缺点：

因为电感电流的峰值同它的平均值间的比例与电路占空比有关，所给定值相同的条件下，当占空比不同时，电感L的电流或电路的输出电流相同，这样峰值电流模式控制方法就不能用于需要精确控制电感电流或输出电流的电路。

此外，由于实际电路中的开关电流往往带噪声，容易引起比较器误动作，因此峰值电流模式控制电路容易受到干扰造成工作不稳定。

电流峰值法控制的单相Boost型APFC存在的问题是：

当占空比大于0.5时，外部的微扰可以被放大，导致系统电流不收敛，此时会产生次谐波振荡，为了防止这种情况的出现，需要在比较器的输入端增加一个斜率补偿函数，以便在占空比大于0.5时系统也能稳定工作。

由于电流的峰值与平均值之间存在较大误差，无法满足THD很小的要求。

此外，该控制方式对噪声相当敏感。

平均电流模式控制方法可以精确控制电感电流平均值，对于降压型电路意味着可以控制输出电流；对于升压型电路，意味着可以控制输入电流，因平均电流模式控制方法广泛用于充电电源和升压型功率因数校正电路。

平均电流控制的单相Boost型APFC的取样电流取自电感电流。

它与上述两种控制方法的不同就是：

用电流误差放大器代替电流比较器。

平均电流控制原来是用在开关电源中形成电流环（内环），以调节输出电流的，并且仅以输出电压误差放大信号为基准电流。

现在将平均电流法应用于功率因数校正，以输入整流电压和输出电压误差放大信号的乘积作为电流基准；并且电流环调节输入电流平均值，使输入电流与输入整流电压同相位，并接近正弦波形。

输入电流信号被直接检测，与基准电流比较后，通过电流误差放大器被平均化处理。

放大后的平均电流误差与锯齿波斜坡比较后，给功率开关SW驱动信号，并决定了其应有的占空比，于是电流误差被迅速而精确地校正。

由于电流环有较高的增益-带宽，使跟踪误差产生的畸变小于1%，容易实现接近于1的功率因数。

平均电流控制的优点是：

电流环具有较高的增益-带宽、瞬态特性较好、平均电流控制的THD和EMI较小、对噪声不敏感、开关频率固定，适用于功率较大的场合；平均电流控制方法的缺点是：

造价高、电路复杂。

直接电流控制直接检测整流器的输入电流来作控制，系统动态响应快，限流容易，电流控制精度较高。

将传统的电流控制策略加以改进，结合数字化实现的优点，是PWM整流器控制策略发展的方向之一。

PFC整流器的新型控制策略

单周期控制技术（One-CycleControl）是九十年代初由美国加州大学的KeyueMSmedley提出的，它是一种不需要乘法器的新颖控制方法，将这种控制方法应用于功率因数校正是近年来一种新的尝试。

单周控制又称积分复位控制，是一种新型非线性PWM控制技术，它将非线性控制的本质与开关电路有机地结合起来，以达到被控量的瞬时跟踪，无论是稳态还是暂态均能保持被控量的平均值恰好等于或正比于给定值，即在一个周期内有效地抑制电源侧的扰动，使系统的静态误差和动态误差几乎为零。

它同时具有调制和控制的双重性，通过复位开关、积分器、触发电路、比较器达到跟踪指令信号的目的。

它的基本思想是在每一个开关周期内使受控量的平均值恰好等于或者正比于控制参考量，单周期控制技术在控制回路中不需要误差综合，它能在一个周期内自动消除稳态、瞬态误差，前一周期的误差不会带到下一周期，同时单周期控制技术还具有优化系统响应、开关频率恒定、减小畸变、抑制电源干扰和易于实现等优点。

这种控制技术可广泛应用于非线性系统的场合，现已在DC-DC变换器、开关功率放大器、有源电力滤波器、静止无功发生器以及单相、三相功率因数校正等方面得到大量应用。

将单周控制的基本原理应用于各种电流控制上，就可以得到电荷控制（ChargeControl），准电荷控制（Quasi-ChargeControl），非线性载波控制（NonlinearcarrierControl）和输入电流整形技术（InputCurrentControl）等功率因数校正的新型控制技术。

从形式上看电荷控制是电流型的单周期控制，其控制思想是控制开关的电流量，使之在一个周期内达到期望值。

准电荷控制也是一种电流型的单周控制。

准电荷控制是在电荷控制的基础上,用RC网络代替电荷控制中电路中的C网络。

非线性载波控制的控制电流可为开关电流、二极管电流或电感电流，从电路的拓扑结构上讲非线性载波控制技术是在电荷控制的基础上增加了一个外加的非线性补偿，提高了系统的稳定性。

在非线性载波控制中当电路工作在电流连续状态下，系统就是稳定的，而电路工作在断续状态下，系统是小信号稳定的。

另外非线性载波控制工作在断续条件下会产生输入电流的畸变。

输入电流整形技术检测二极管上的电流，从形式上说是一种类似于非线性载波控制的控制方案，从控制的实质上讲它是平均电流控制的一种反用。

预测电流控制的基本思想是：

在一个开关周期内对电流做出预测性控制，预测下个采样时刻的电流。

据此以某种最优控制策略来计算当前的控制作用并加以控制，使得电流误差为最小，迫使下一次采样时刻的实际电流以最优特性跟踪下一时刻的参考电流。

单周期控制的有源功率因数校正器具有如下特点：

1恒频控制，有利于滤波器的设计；

2控制电路简单，不需要乘法器；

3由于不需从输入引出基准信号，所以系统对输入的抗干扰能力强。

将单周期控制的基本原理应用到各种电流控制上，就可以得到电荷控制、非线性载波控制和输入电流整形技术等有源功率因数校正的新型控制技术。

电荷控制其控制思想为：

控制开关的电流量，使之在一个周期内达到期望值。

电路的工作原理为：

开始时，用定频时钟开通电路中的功率开关SW1，流过功率开关SW1的电流对电容CT充电，当电容CT上的电压等于参考电压CV时，电路中的功率开关SW1关断，电容CT两端并联的开关SW2导通，对电容CT放电，这一状态一直维持到下一个时钟脉冲到来为止。

由于控制信号实际上为开关电流在下一个周期内的总电荷，因此称这种方法为电荷控制。

电荷控制的基本方程为：

非线性载波控制是在单周期控制技术中电荷控制基础上外加非线性载波补偿构成的，通过产生合适的载波来实现平均电流控制，非线性载波控制的控制电流可为开关电流、二极管电流或电感电流。

非线性载波控制的控制方程为：

线性峰值电流控制技术。

电流峰值控制中当占空比大于0.5时，电路会出现低频振荡，增加一个外部的斜坡补偿可减小这种现象发生。

线性峰值电流控制就是以此为基础，通过合理的选择电路外加补偿斜率的新型无需乘法器的控制方法，合理的选择外加补偿斜率得到的线性峰值电流控制系统具有以下优点：

电流环无条件稳定；电流峰值正比于开关的关断占空比d。

输入电流整形技术。

输入电流整形技术是检测二极管上的电流，从控制的实质上讲它是平均电流控制的一种反用。

与前几种方法的主要区别是：

这种方法不需要产生载波。

在传统的平均电流控制方法中，电流控制环产生整流正弦波形作为控制信号，此控制信号与周期斜

波信号相比较以产生期望的占空比。

然而输入电流整形技术需先假定变换器为电阻性负载，因此输入线电流跟随输入电压波形，从而可知电流信号为整流正弦波形，电流信号作为电压环的基准信号，与斜波信号（反馈信号与参考信号差值的积分）相比较来产生驱动信号控制功率开关SW的通断。

因此，这种控制类似于传统平均电流控制的逆过程。

输入电流整形技术控制的特点为控制简单，由于这种控制方式是平均电流控制的反用，因此在电路的实现上，可采用平均电流控制的控制芯片。

预测开关调制通过预测在开关周期结束时电感电流和整流后的输入电压成正比来控制功率开关SW的占空比。

预测开关调制的控制方程为：

传统的平均电流控制、电流滞环控制和电流峰值控制都需要内环电流调节器、需要检测整流后的输入电压、需要乘法器，这就使得控制结构复杂、控制电路成本高，并且乘法器的非线性失真增加了输入电流的谐波含量。

因此，寻求更加简单的控制策略、降低APFC的成本、减小THD和EMI、降低开关应力、提高整机效率是今后APFC控制技术的发展趋势。

于是有源功率因数校正技术出现了很多新型的简单的控制方法。

空间矢量调制

空间矢量调制（SpaceVectorModulation）是80年代中后期发展起来的，最初的应用是使电机获得圆形的旋转磁场，称为“磁链跟踪”。

目前，空间矢量调制的概念远远超出了电机调速的范畴，成为与SPWM相并行的一种PWM调制技术。

空间矢量调制也是矩阵式变换器的最佳调制方式，三相功率因数校正电路的数字化实现也可用此方式。

在模拟控制中，用abc三相对称坐标系，控制量是分段正弦的；在数字化实现时，用同步旋转的d-q正交坐标系，此时，控制量在稳态时为常量，容易保证好的稳态特性。

模拟控制时，控制变量是时变的，在电压、电流过零时，可能出现不连续，并且由于模拟控制器的工频增益有限，电流畸变通常比数字控制大。

数字控制的带宽主要受运算速度和采样延迟的限制。

随着微控制器的性能价格比不断提高，基于SVM的数字化实现会越来越具吸引力。

空间矢量在理论分析上也有优点，用其描述三相电路的状态轨迹，非常直观。

无差拍控制

无差拍控制（Deadbeatcontrol）是一种在电流滞环比较控制技术基础上发展起来的全数字化的控制技术。

它