PFC電路的雙閉環控制

PFC的英文全稱為“Power Factor Correction”，意思是“功率因數校正”，功率因數指的是有效功率與總耗電量（視在功率）之間的關系，也就是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值。 基本上功率因數可以衡量電力被有效利用的程度，當功率因數值越大，代表其電力利用率越高。

功率因數是用來衡量用電設備用電效率的參數，低功率因數代表低電力效能。為了提高用電設備功率因數的技術就稱為功率因數校正。

PFC 基本電路及控制機理

開關電源的功率因數定義為輸入有功功率與輸入視在功率的比值 ，而一般的整流濾波電路只在輸入電壓的峰值處有脈沖電流 ，即只在輸入電壓的峰值處獲得電能 ，這種脈沖電流含有大量的諧波分量 ，它們產生大量的無功功率 ，導致設備的功率因數很低 ，一般在 017 以下 ，功率因數校正電路的基本原理就是使設備在整個正弦周期內獲得電能而不是局部 ，并且通過調整周期內能量的分布使得輸入電流呈與輸入電壓同相的正弦波形 ， 圖 1 是功率因數校正基本電路。

基本 PFC 電路的核心是電流控制環 ，它由一個電流誤差放大器 ，一個 PWM 比較器 ，一個乘法器以及高頻提升電路組成 ，它迫使輸入電流跟蹤輸入電壓波形而呈正弦波形。

電流 IPR （它正比于輸入整流電壓） 和誤差放大器輸出電壓 VEAOU T在乘法器中相乘 ，產生電流 IMO ，通過電阻 Rc ，在其上產生一個電壓 ， （它具有與輸入整流電壓相同的波形） ，輸入電流 IL 通過取樣電阻 RS 產生一個電壓 VS ，它與 RC 上的電壓相減后加在電流誤差放大器的輸入端 ，由于電流環是無差的 ，它必將迫使 RC 和 RS 上的電壓差等于 0 ，即迫使主回路電流跟蹤輸入整流電壓的波形 ，呈正弦波整流波形 ，因而輸入電流就呈正弦波形 ，這一結果的實現是靠 PWM 開關電路來完成的 ，電流誤差放大器輸出電壓與一個三角波電壓在 PWM 比較器中比較后產生一個 PWM 觸發脈沖 ，去驅動 MOSFET ，脈寬調制的高頻開關電流在提升電感 L 的作用下全周期向負載提供電能 ， 而不是象普通整流電路那樣 ，只在電壓峰值時提供電能。

有代表性的 PFC 產品是 UNITRODE 公司的 UC3854 和 MICROLINEAR 公司的 ML4821 ，后來又出現軟開關型控制芯片 UC3855 和 ML4822。從控制系統的角度來看 ，這些控制芯片組成的 PFC 電路都不外乎是一個電壓 - 電流雙閉環控制系統 ， 其中包含一個關鍵部件 ———模擬乘法器。

2 電流控制環

雙閉環控制系統的內環是一個電流控制環 ， 它由電流調節器、PWM 比較器和功率轉換電路組成 ，其作用是迫使輸入電流跟蹤輸入電壓的波形?？蓪С鲭娏鳝h結構圖如圖 2 所示。

可見這是一個二階無差系統 ，它可以無差地跟蹤正弦波輸入函數 ，從而使輸出電流 IL 無差地跟蹤 LMO的波形。

3 電壓控制環雙

閉環控制系統的外環是一個電壓控制環 ， 其作用是使輸出電壓保持在高于輸入電壓峰值的電平上 ，這是 PFC 所必需的 ，并且可以起到穩定輸出電壓的作用。

包含電流環 ，乘法器在內的電壓環結構圖如圖 4 所示。

前向通道傳遞函數 ： GVOL 由于電流環是無差的 ，

得電壓環結構圖如圖 5 所示。

PFC 芯片中都有一個電壓放大器 VA ，由它組成如圖 6 所示的積分調節器。

可見 ，這是一個一階無差系統 ，它可以無差地跟蹤單位階躍函數 ，因此 ，對于給定 VREF （定值） ， 輸出是穩定不變的。

4 乘法器

乘法器是 PFC 芯片中一個關鍵部件 ， 在 ML4821 中 ，乘法器輸出 IMO為

電流環的給定 ，使系統既跟蹤輸入電壓波形又穩定輸出電壓。由電流環可知 ， IL 無差地跟蹤了 IMO ，而 IMO中含有 VEAOU T和 ISINE的乘積且 ISINE = VIN/ RL ，故 IMO與輸入整流電壓 VIN波形相同 ， 因此 ，輸入電流 IL 具有與 VIN相同的波形。

另一方面 ，由 （ 10） 式可知 ，引入乘積項 1/ V 2 RMS可抵消輸入電壓 V 2 RMS對 GVOL的影響。

5 結束語

本文給出了 PFC 電路的雙閉環結構圖及各環節的傳遞函數 ，對于一個具體的實際 PFC 電路 ，可用傳統的控制系統設計方法進行設計 ，筆者用 ML4821 設計了一個 3 Kw 的 PFC 整流器 ，效果良好。