//学习自B站电子电工技术分享1、为什么要把PFC电路升到400V左右PFC电路的输入波形就是全波整流后的脉动直流这个波形就是馒头波。开关电源整流滤波后的直流电压一般为300伏左右峰值为311伏。增加PFC电路后开关管前面滤波电容的工作电压达到390到400伏即直流直流变换电路的工作电压提高了近100伏。我们知道PFC电路的作用是改变电流波形。使其与输入电压波形一致。未加PFC电路前整流滤波后的电压本已满足后期电路需要为什么还要把电压提高100伏呢理解这个问题仍需要从PFC电路的工作原理入手。普通整流滤波电路使输入电流波形畸变的原因是滤波电容上始终有一定的电压。交流输入电压是按正弦规律从零开始变化的。总有一段时间低于滤波电容上的电压造成整流二极管截止使输入电流的波形呈尖脉冲状。PFC电路要维持整流二极管的导通使电流跟随电压的波形变化就必须解决输入电压低于滤波电容电压这个矛盾。解决办法就是提高PFC电路输出电压使PFC电路将从输入电路吸收的电能转化为比滤波电容更高的电压以维持滤波电容的充电状态。也就维持了整流二极管的导通状态。可能还有人不太懂可能是对BOOST电路不太了解下面简单解释一下Boost 的工作逻辑 Boost 电路允许输入电压 输出电容电压这样就解决了输入电压低于滤波电容电压的问题依然可以把能量从输入侧搬运到输出电容。 举例子 现在整流出来瞬时电压只有 100V远小于 400V 母线电容电压。MOS 管导通电流流过电感电感储存磁场能量。此时能量是从整流桥电网侧拿过来的整流二极管是导通的。MOS 管关断电感要维持电流感应出高压把电感储存的能量泵到 400V 输出电容给电容充电。 关键点哪怕输入瞬时电压只有几十 VBoost 依然可以持续从整流桥抽取电流。只要电感持续从整流桥拉电流整流二极管就一直导通不会断开。这里不再要求 “整流瞬时电压 电容电压” 才能充电 普通电路是电压直接对抗Boost 是电感储能搬运能量不需要输入电压高于输出电容电压。那么这个电压提高到多大合适呢确定这个数字的原则是在一定的电压输入范围内PFC输出电压要高于最大交流输入电压的峰值。即Boost PFC 必须保证全周期内输入瞬时电压永远小于输出母线电压。 一旦输入瞬时电压超过 PFC 输出电压PFC 的开关管就失去对电流的控制PFC 校正功能失效。 所以我们把 PFC 输出电压设置得比市电最高波动下的电压峰值还要高一点留安全余量。对于额定电压220伏的单相交流电考虑电压波动等因素最大按270伏计算其峰值就是381伏所以定为390~400伏。这样不论交流输入电压接近于零时还是达到峰值PFC电路都能够从输入侧吸收电能经升压后给滤波电容充电维持整流二极管的导通。这样就解决了整流二极管断续导通电流波形呈尖脉冲状的问题。2、如何将输入电流波形调制为正弦波前面分析了PFC电路为什么要将桥式整流后的电压提高到400伏左右。其实PFC电路提高电压不是最终目的而是为了变换输入的电流波形使其与输入电压波形一致提高功率因数减少谐波。这节分析PFC电路是如何进行电流波形调制的。上图是一个PFC电路的简图是一个典型的升压式变换器。与普通直流变换器相同的是都要稳定输出电压。不同的是PFC电路并不控制输出电流而是对输入电流进行调制达到提高功率因数的目的。控制电路根据输入电压、输入电流、输出电压三个参数的变化情况经内部比较器、乘法器等进行计算输出驱动。上图为加了PFC和未加PFC的输入电压和电流的波形假设在某一时刻T1整流后的电压为图中的U1PFC电路检测到这一电压根据其大小计算出开关管导通时间输出驱动脉冲。使开关管导通其电流逐渐上升同时流过取样电阻RS的电流也从零开始上升使电流上升到I1后。开关管截止升压电感上的感应电压极性反转升压二极管正偏导通流过RS的电流从I1下降到0这是功率开关管的一个开关周期的工作过程。进入下一个开关周期后随着输入电压的变化电压取样电路会检测到不同的电压值控制电路对开关管的导通时间做相应的调整。输入电流随之发生变化。多个变化电流的包络线接近于正弦波实现了波形变换的目的也就提高了开关电源的功率因数减少了谐波。调制变换过程中PFC电路输出电压经取样电路反馈到控制电路。影响驱动脉冲的占空比将输出电压稳定在400伏左右。电流波形调制变化的原理跟变频器主电路的调制过程相似都是利用了电子开关的斩波原理通过控制器通断时间改变电路输出电压或电流。使其包络线与理想波形接近。3、专用芯片L6563功能分析L6563是意法半导体公司生产的PFC控制芯片是L6561、L6562的升级换代产品用于液晶电视、台式电脑、服务器等电源中。各引脚功能如下14 脚是电源脚供电电压范围10.3~22伏低于9.5伏时自动关断。12 脚是接地端13 脚是栅极驱动输出用于驱动功率开关管。1 脚是误差放大器的反向输入端内部对应的放大器的同相输入端电压固定为2.5伏。一般将PFC电路输出电压经取样电路分压后输入到该脚用于PFC输出电压的稳压反馈。2 脚是放大器的输出端与1脚间接入环路补偿元件。这里 2 脚的作用与UC3842的 1 脚相同。3 脚是乘法器的输入端一般将整流后的电压经电阻分压后加至该脚。上图中三个电阻组成取样电路分压后加至3脚其作用是:一是反映输入电压的有效值二是给内部电路提供正弦参考,作为输入电流调制的依据。11脚是零电流检测输入端通过检测升压电感L1的辅助绕组中的电压判断电感中的电流。该电流为零时芯片开始输出驱动脉冲使开关管在电感电流过零时施加驱动脉冲降低功耗。4脚是开关管电流检测端通过检测电阻上的压降判断开关管是否过流。当检测到的电压超过内部设定值时关断开关管。另一个作用是该脚电压超过1.7伏时说明外部已发生严重短路关断IC。这里关断开关管与关断IC不同关断开关管只是在电流超限时刻对应的震荡周期内使开关管由导通状态变为截止状态。下一个周期到来后开关管会再次导通。而关断IC则是芯片停止驱动脉冲输出并从8脚输出高电平作为故障信号去控制其他相关电路。IC关断后不再输出驱动脉冲直到过流故障消除。7 脚用于输出电压检测输出电压过高或过低都会使IC关断。如果电压反馈环路断开输出电压升高7脚电压超过2.5伏IC关断。如果输出端发生短路该脚电压降至0.2伏IC也会关断停止脉冲输出直到该脚电压上升至0.26伏。10脚为远程控制端当加在该脚的电压低于0.52伏时芯片关断。当该脚电压超过0.6伏时芯片重新启动该脚也可用于输入电压欠压保护8 9 脚为故障信号输出端可以为后级的直流变换电路提供控制信号。4、L6563组成的PFC电路分析本节分析由L6563组成的PFC电路工作原理88伏至264伏的交流电源经桥式整流后有一个1微法电容滤除高频电流。1微法的电容在这里仅仅是滤除高频电流并没有稳压作用。所以考虑PFC电路的输入电压波形时可以忽略它的作用。1uf电容很重要没有电容或者电容过小会导致电压不过零这会造成输入电压检测脚不能检测到输入电压过零的情况即ZVD导致脉冲紊乱可能导致带不了载或者有异常的响声严重导致炸鸡如果电容过大就会导致输入电压在大于这个电容电压时才会充电小于则不充电就是造成之前说的脉冲电流达不到功率校正的目的了。旁路二极管的作用刚接通电源时后级直流直流变换电路还未开始工作PFC电路的工作电源也就无法形成。有了这个旁路二极管。桥式整流后的300伏脉动直流电压给电容C8充电使后级直流直流变换电路开始工作并给PFC电路提供电源。为什么二极管可以让PFC开始工作我们分开【上电瞬间】和【PFC 正常工作后】两个阶段来看。刚上电时刻PFC 还没启动刚插上交流电PFC 的 Boost 电路还没有开始工作400V 母线电容 C8 上没有电压。 PFC 控制芯片 L6563 的供电Vcc14 脚正常工作时本来是靠后级 DC-DC 电路来提供。 但上电瞬间后级 DC-DC 也没工作没有 VccPFC 芯片没法起振。整流桥输出是馒头波最高约 311V 脉动直流。旁路二极管 VD2 的阳极接在整流桥后的馒头波侧阴极直接接到 PFC 输出母线 C8。上电瞬间整流输出的 300V 脉动直流 → VD2 导通 → 直接给 C8 充电。 C8 被充到接近 300V。有了 300V 母线电压后级 DC-DC 电路就能启动。 DC-DC 一工作就能输出一路低压给 L6563 的 14 脚 Vcc 供电PFC 芯片拿到电源才开始启动 Boost 升压。PFC 正常升压工作之后PFC 启动完成Boost 把母线 C8 抬升到 390~400V。 此时VD2 阳极是整流馒头波最高峰值 311V阴极是 400V。 阴极电压 阳极电压VD2 反向截止自动退出工作不再参与电路。PFC电路工作后输出近400伏的直流电压作为后级电路的输入电源。图中由三个主要的功率元件升压电感、升压二极管、功率开关管。它们的工作过程与普通的升压式直流变换器相同不同的是开关管的导通状态不仅受输出电压的影响还与输入电压的波形、幅值、电感中电流过流时间等因素有关。升压电路除了稳定输出电压外更重要的作用是控制输入电流的波形。提高功率因数。电路中这三个串联的电阻组成输入电压取样电路分压后加至3脚给内部电流环提供正弦参考。5脚对地接了一个电阻一个电容与内部电路组成峰值电压保持电路该脚电压等于3脚的峰值电压。11脚通过电阻R3接升压电感辅助绕组用于监测电感电流。只有电感电流等于零时L6563才开始输出驱动脉冲使开关管实现零电流导通从而降低功耗。开关管源极与地间的电阻R8为电流取样元件其上端接芯片4脚其作用有两个一个是提供电流调制信号使输出电压稳定。并使输入电流符合正弦规律。第二个作用是过流保护当开关管电流过大引起电阻R8上的压降超过1.7伏时。芯片视为严重短路关断芯片PFC电路停止输出并通过8脚给后级的直流直流变换器提供一个故障信号变换器停止工作。这个电路中PFC的输出部分有两个电阻分压取样电路一个是电压反馈。输入到1脚用于稳压控制。另一个是电压监测输入到7脚用于过压或欠压保护。当7脚电压高于2.5伏时视为过压关断IC。低于0.2伏时也会关断IC。这里只用于过压保护。根据三个电阻的阻值可以推算出当输出电压达到470伏时7脚电压将超过2.5伏IC关断停止输出。都给后期变换器提供一个故障信号停止工作可见带有 PFC 电子的开关电源出现故障时故障原因也可能是由 PFC 电路保护引起这是维修此类开关电源时需要注意的问题。5、交错模式功率因数校正交错模式功率因数校正电路适用于100至1000瓦的中功率PFC。这种电路的特点是PFC芯片控制两个完全相同的升压变换器这两个变换器共用输入和输出电容。两个变换器中一个做主变换器一个做从变换器。之所以设置成主从关系是为了让两个功率管的电流平衡使从功率管的电流跟随主功率管变化。L1、D5、VF1分别是主变换器的升压电感、升压二极管、功率开关管。L2、D6、VF2分别是从变换器的升压电感、升压二极管和功率开关管。PFC控制芯片UCC28061输出两路相位差180度的驱动脉冲分别驱动功率管VF1、VF2。开关管导通时电感中的电流线性增长。开关管截止时升压二极管导通电感中的电流线性下降。下面对照电流波形图分析如下。T0时刻VF1导通电感L1中的电流线性增长。T1时刻VF1截止。升压二极管D5导通电感L1中的电流开始线性下降。在L1电流下降的过程中在与T0相差180度相位角的T2时刻VF2导通L2中的电流线性增长T3时刻VF2截止。VD6导通L2中的电流线性下降这是两个升压电感中的电流波形。再来看输入电流每一时刻输入电流都是L1、L2中的电流之和这是两者叠加后的输入电流波形。从波形图中可以看出两个电感中的电流叠加后纹波明显减小。这个波形图只是近似表达两个电感电流与输入电流的瞬时值关系。在交流输入的一个周期内开关管的导通次数每一次导通的时间由控制芯片根据交流电的瞬时值确定瞬时值越高两个开关管导通时间越长。并且两个开关管的驱动脉冲始终保持180度的相位差。这种电路的优点一是使用两套较小功率的PFC电路并联可以代替一个较大功率的PFC电路减小了设计难度便于解决散热问题。二是不需要低反向恢复时间的二极管降低了成本。三是减小了电流纹波。这种PFC电路的驱动芯片有UCC28061、UCC28063。UCC28070、 FAN9011、 FAN9611、 FAN9612和NCP1631等适用于大屏幕液晶电视机、等离子电视机及微型太阳能逆变器等。