預(yù)測 CCM 升壓 PFC 電路中的輸出電容紋波

輸出電容器是升壓功率因數(shù)校正 (PFC)電路中的主要儲能元件（圖 1）；它也是更大、更昂貴的組件之一。許多因素決定了它的選擇：所需的電容、環(huán)境溫度、預(yù)期的使用壽命和可用的物理空間。

無源PFC電路一般采用電感補(bǔ)償方法使交流輸入的基波電流與電壓之間相位差減小來提高功率因數(shù),在交流電源進(jìn)線或整流橋與濾波用的200V電容之間直接串聯(lián)電感,同時改造開關(guān)電路的校正,一般在高壓濾波電容附近,是一個較大的式頻電感,它最大好處就是所需線路簡單,生產(chǎn)成本較低.不過,被動式PFC的能源轉(zhuǎn)換效率不高,容易產(chǎn)生工頻震動和噪音等問題.

有源PFC是由電感電容及電子元器件組成的,通過專用IC芯片去調(diào)整電流的波形,對電流電壓間的相位差進(jìn)行補(bǔ)償.具體做法是在輸入整流橋與濾波用200V電容之間插入一個開關(guān)變換器線圈,以控制輸入電流的波形跟隨電網(wǎng)電壓波形,使電源呈現(xiàn)阻性.主動式PFC可以達(dá)到0.99以上的功率因數(shù).但其線路設(shè)計比被動式PFC復(fù)雜,成本也相對高.采用主動式PFC電路的電源不必采用很大容量的濾波電容.3C產(chǎn)品輸出也十分穩(wěn)定,適應(yīng)電壓非常寬.此外,主動式PFC還可用作輔助電源,因此在使用主動式PFC電路中,往往不需要待機(jī)變壓器,而且主動式PFC還擁有穩(wěn)定性佳、工頻震動小,噪音低等優(yōu)點(diǎn).

在這篇文章中，我想看看流過電容器的紋波電流。預(yù)測紋波電流的最準(zhǔn)確方法是進(jìn)行數(shù)值模擬，但有一些簡單的公式可以讓我們對電流進(jìn)行相當(dāng)準(zhǔn)確的估計，并深入了解這些電流如何隨工作條件而變化。

電容

正如我所說，輸出電容器是一個相對昂貴的組件，因此我們可能會選擇仍然能夠使設(shè)計滿足其規(guī)范的最小電容。在所有其他條件相同的情況下，較小的電容器將比較大的電容器具有更低的成本。兩個主要考慮因素決定了我們需要多少電容：所需的保持時間和允許的紋波電壓。

對于所需的保持時間，我們可以使用公式 1 來計算所需的電容：

其中 P out是從輸出電容器獲取的功率，t hu是所需的保持時間，V initial和 V final分別是初始和最終電容器電壓。

如果保持時間不重要，那么我們可以根據(jù)允許的電壓紋波來確定電容器的大小。等式 2 給出 C為：

其中 I out是負(fù)載電流，V紋波是電容器上的峰峰值電壓紋波。

圖 1：典型升壓 PFC 原理圖

電容電流

重新排列的公式 2 可以確定電容器上的低頻紋波電壓。該紋波是正弦的，前提是 PFC 級消耗的線路電流是正弦的。它將是線路頻率的兩倍，我們可以使用公式 3 計算紋波電壓的峰峰值幅度：

電容器中的低頻紋波電流與輸出電流的關(guān)系非常簡單。公式 4 給出了電流的 RMS（均方根）值，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電容器都是根據(jù) RMS 紋波電流來指定的。這里的結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果非常吻合：

除了兩倍線路頻率的分量外，紋波電流還具有 PFC 開關(guān)頻率及其諧波的高頻分量。我們可以使用 Erickson 和 Maksimovic 的“電力電子基礎(chǔ)”中的公式稍作修改的版本來計算 RMS 總電容器紋波電流。該公式忽略了電感器開關(guān)頻率紋波電流的影響，因此與數(shù)值模擬相比低估了電流。這種低估在高壓線時會成比例地增大，但由于紋波電流在低壓線時最大，所以公式 5 的準(zhǔn)確度優(yōu)于約 10%：

電容器電流的高頻分量就是總電流減去低頻電流。公式 6 給出的結(jié)果是一個 RMS 值：

一些注意事項(xiàng)

我在這篇文章中查看了單相 CCM（連續(xù)傳導(dǎo)模式）PFC 級，但低頻紋波計算也適用于交錯、CrCM（臨界傳導(dǎo)模式）和 DCM（不連續(xù)傳導(dǎo)模式）設(shè)計。然而，高頻紋波計算僅對單相 CCM 設(shè)計有效。

低頻和高頻紋波電流都不是電容大小的函數(shù)。低頻電流是輸出功率的函數(shù)；它不是線路電壓的函數(shù)。高頻紋波在低壓線路處最大，它是線路、升壓電感和輸出功率的函數(shù)。