一種新穎的功率因數(shù)校正芯片的研究

    摘要：介紹了一種新穎的功率因數(shù)校正（PFC）芯片。它的主要特點是提高了輕載時的功率因數(shù)和改善了電路的動態(tài)性能。實驗表明：這種新穎的PFC控制芯片實現(xiàn)了這些功能。

    關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正；動態(tài)性能；電流補償

引言

隨著電力質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的貫徹執(zhí)行，功率因數(shù)校正（PFC）技術(shù)已成為電力電子領(lǐng)域中的研究熱點，PFC變換器已越來越多地應(yīng)用于開關(guān)電源、變頻調(diào)速器和熒光燈交流電子鎮(zhèn)流器中。近幾年來，隨著PFC技術(shù)的發(fā)展，PFC控制芯片也有了很大的發(fā)展。根據(jù)電路的工作模式，PFC控制芯片可以分成3類：

1）電流斷續(xù)的控制芯片；

2）電流臨界連續(xù)的控制芯片；

3）電流連續(xù)的控制芯片。

    本文介紹了一種新穎的電流連續(xù)的控制芯片NCP1650，它改善了PFC電路的動態(tài)性能，并且嚴(yán)格控制了PFC電路最大輸出功率，同時它還提高了輕載下的功率因數(shù)。本文以這種新穎的控制芯片制作了一個100W的PFC電路原理樣機，對芯片進行了分析，最后給出了實驗波形。

1 NCP1650功能介紹

NCP1650采用16腳SOP封裝，引腳配置如圖1所示，表1給出了引腳功能。它是一種平均電流模式的控制芯片，它可以應(yīng)用在電流斷續(xù)和電流連續(xù)模式的PFC電路中。因為其內(nèi)部使用了精確的元件，電路的輸出功率和電流都可以精確限制，所以對于相同功率等級的PFC電路來說，可以使電路中的功率器件的等級達到最小。

表1 NCP引腳功能表

NCP1650具有軟啟動，輸出過壓保護，瞬時電流限制，輸入低壓保護，輸出最大功率限制等功能。

1.1 電流補償功能

對于輸出功率范圍寬的PFC電路來說，在輕載時的功率因數(shù)都受到不同程度的限制，但是在工業(yè)領(lǐng)域?qū)﹄娐返墓β室驍?shù)有嚴(yán)格的要求，因此大家越來越關(guān)注這個問題。NCP1650可以解決這個問題。

    NCP1650會根據(jù)實際輸入電流的大小，給采樣電流信號一個相應(yīng)的補償，這樣就可以提高輕載時的功率因數(shù)。圖2給出了電流補償器原理圖。芯片中的電流采樣補償器是一個具有微分輸入的寬范圍帶寬放大器。它由一個微分輸入級，一個高頻電流鏡像器和一個低頻鏡像器構(gòu)成。其中低頻電流鏡像器有3個輸出端，分別給AC誤差放大器，功率乘法器和電流補償器。

圖4

    NCP1650的管腳12是一個負(fù)的電流采樣信號輸入。因此這種控制芯片的電流采樣補償器的輸入電壓信號是一個負(fù)電壓信號。其中管腳12還與內(nèi)部一個電流分流電阻（阻值為1kΩ）相接。當(dāng)芯片工作時，電流分流電阻上的電壓被轉(zhuǎn)化為一個電流（i1），這個電流就會驅(qū)動高頻電流鏡像器。這個電流鏡像器的輸出（i1）與PFC電路中的電感瞬間電流成比例，如式（1）所示。

i1=Vis－/1kΩ   （1）

同時，這個高頻電流鏡像器通過一個15kΩ的電阻給緩沖放大器提供一個電壓信號；另外，這個高頻電流鏡像器的PWM輸出直接給PWM發(fā)生器提供一個信號，這樣就可以來控制開關(guān)管的驅(qū)動信號。當(dāng)PFC電路工作輕載時，通過管腳12給芯片一個相應(yīng)的電壓信號，它就會及時驅(qū)動高頻電流鏡像器，從而就會對采樣的電壓信號進行補償，增大了這個采樣信號，這樣就可以很好地跟蹤參考信號，以提高輕載下PFC電路的功率因數(shù)。

    1.2 動態(tài)性能的調(diào)節(jié)功能

對于PFC電路來說，動態(tài)性能是一個很難解決的問題。當(dāng)輸入電壓或者輸出功率變化時都會引起輸出電壓很大的變化，這樣會大大降低電路的壽命，而且會給后面的DC/DC電路帶來很大的壓力。

    圖3中給出了解決動態(tài)響應(yīng)的原理圖。當(dāng)輸出電壓變高時，電壓反饋信號也相應(yīng)地增加，當(dāng)達到某個設(shè)定值時就會給PWM發(fā)生器一個信號，來控制驅(qū)動信號。對于輸出電壓降低也是一樣的。因為NCP1650內(nèi)部設(shè)置了電壓反饋基準(zhǔn)的最大值和最小值，所以反饋信號只能在這個范圍內(nèi)變化，這樣當(dāng)輸入電壓或者輸出功率變化時，輸出電壓變化的范圍不會很大，也就改善了動態(tài)性能。

2 實驗結(jié)果

PFC主電路圖參見圖4，其主要參數(shù)如下：輸入電壓AC90～265V；頻率47～63Hz；輸出電壓為DC400V；輸出最大功率100W；最大開關(guān)工作頻率為fmax=100kHz。

實驗結(jié)果證明了NCP1650很好地解決了輕載時PFC電路的功率因數(shù)，同時動態(tài)性能也得到了改善。圖5給出了輸入電壓115V，輸出功率20W時的輸入電流波形；圖6給出了輸入電壓115V，輸出功率100W時的輸入電流波形；圖7給出了輸入電壓230V，輸出功率20W時的輸入電流波形；

    圖8給出了輸入電壓230V，輸出功率100W時的輸入電流波形；圖9和圖10分別給出了輸出功率從輕載到滿載和從滿載到輕載時的輸出電壓。

3 結(jié)語

以NCP1650為核心設(shè)計的PFC電路，提高了輕載時的功率因數(shù)，這樣在輕載時降低了對電網(wǎng)的污染；同時它改善了在輸出功率變化時的動態(tài)性能。因此，它可以應(yīng)用在對動態(tài)性能要求比較高和輸出功率范圍比較寬的場合。