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(diǎn)是提高了輕載時(shí)的功率因數(shù)和改善了電路的動(dòng)態(tài)性能。實(shí)驗(yàn)表明：這種新穎的PFC控制芯片實(shí)現(xiàn)了這些功能。

關(guān)鍵詞：功率因數(shù)校正；動(dòng)態(tài)性能；電流補(bǔ)償

0    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(diǎn)，PFC變換器已越來(lái)越多地應(yīng)用于開(kāi)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(lái)，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(dòng)態(tài)性能，并且嚴(yán)格控制了PFC電路最大輸出功率，同時(shí)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(gè)100W的PFC電路原理樣機(jī)，對(duì)芯片進(jìn)行了分析，最后給出了實(shí)驗(yàn)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?yàn)槠鋬?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(duì)于相同功率等級(jí)的PFC電路來(lái)說(shuō)，可以使電路中的功率器件的等級(jí)達(dá)到最小。

圖1    NCP1650引腳排列

    NCP1650具有軟啟動(dòng)，輸出過(guò)壓保護(hù)，瞬時(shí)電流限制，輸入低壓保護(hù)，輸出最大功率限制等功能。

表1    NCP引腳功能表

1.1    電流補(bǔ)償功能

    對(duì)于輸出功率范圍寬的PFC電路來(lái)說(shuō)，在輕載時(shí)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(lái)越關(guān)注這個(gè)問(wèn)題。NCP1650可以解決這個(gè)問(wèn)題。

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

圖2    電路采樣補(bǔ)償器  [!--empirenews.page--]

    NCP1650的管腳12是一個(gè)負(fù)的電流采樣信號(hào)輸入。因此這種控制芯片的電流采樣補(bǔ)償器的輸入電壓信號(hào)是一個(gè)負(fù)電壓信號(hào)。其中管腳12還與內(nèi)部一個(gè)電流分流電阻（阻值為1kΩ）相接。當(dāng)芯片工作時(shí)，電流分流電阻上的電壓被轉(zhuǎn)化為一個(gè)電流（i₁），這個(gè)電流就會(huì)驅(qū)動(dòng)高頻電流鏡像器。這個(gè)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=V_is－/1kΩ（1）

同時(shí)，這個(gè)高頻電流鏡像器通過(guò)一個(gè)15kΩ的電阻給緩沖放大器提供一個(gè)電壓信號(hào)；另外，這個(gè)高頻電流鏡像器的PWM輸出直接給PWM發(fā)生器提供一個(gè)信號(hào)，這樣就可以來(lái)控制開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。當(dāng)PFC電路工作輕載時(shí)，通過(guò)管腳12給芯片一個(gè)相應(yīng)的電壓信號(hào)，它就會(huì)及時(shí)驅(qū)動(dòng)高頻電流鏡像器，從而就會(huì)對(duì)采樣的電壓信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，增大了這個(gè)采樣信號(hào)，這樣就可以很好地跟蹤參考信號(hào)，以提高輕載下PFC電路的功率因數(shù)。

1.2    動(dòng)態(tài)性能的調(diào)節(jié)功能

    對(duì)于PFC電路來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)性能是一個(gè)很難解決的問(wèn)題。當(dāng)輸入電壓或者輸出功率變化時(shí)都會(huì)引起輸出電壓很大的變化，這樣會(huì)大大降低電路的壽命，而且會(huì)給后面的DC/DC電路帶來(lái)很大的壓力。

    圖3中給出了解決動(dòng)態(tài)響應(yīng)的原理圖。當(dāng)輸出電壓變高時(shí)，電壓反饋信號(hào)也相應(yīng)地增加，當(dāng)達(dá)到某個(gè)設(shè)定值時(shí)就會(huì)給PWM發(fā)生器一個(gè)信號(hào)，來(lái)控制驅(qū)動(dòng)信號(hào)。對(duì)于輸出電壓降低也是一樣的。因?yàn)镹CP1650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(hào)只能在這個(gè)范圍內(nèi)變化，這樣當(dāng)輸入電壓或者輸出功率變化時(shí)，輸出電壓變化的范圍不會(huì)很大，也就改善了動(dòng)態(tài)性能。

圖3    動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)

2    實(shí)驗(yàn)結(jié)果

    PFC主電路圖參見(jiàn)圖4，其主要參數(shù)如下：輸入電壓AC 90～265V；頻率47～63Hz；輸出電壓為DC 400V；輸出最大功率100W；最大開(kāi)關(guān)工作頻率為f_max=100kHz。

圖4    主電路圖

    實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了NCP1650很好地解決了輕載時(shí)PFC電路的功率因數(shù)，同時(shí)動(dòng)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(shí)的輸入電流波形；圖6給出了輸入電壓115V，輸出功率100W時(shí)的輸入電流波形；圖7給出了輸入電壓230V，輸出功率20W時(shí)的輸入電流波形；

圖5    輸入電流波形（V_in=115V，P_o=20W）

圖6    輸入電流波形（V_in=115V，P_o=100W） [!--empirenews.page--]

圖7    輸入電流波形（V_in=230V，P_o=20W）

    圖8給出了輸入電壓230V，輸出功率100W時(shí)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(shí)的輸出電壓。

圖8    輸入電流波形（V_in=230V，P_o=100W）

圖9    輸出電壓（功率從10W變到100W）

圖10    輸出電壓（功率從100W變到10W）

3    結(jié)語(yǔ)

    以NCP1650為核心設(shè)計(jì)的PFC電路，提高了輕載時(shí)的功率因數(shù)，這樣在輕載時(shí)降低了對(duì)電網(wǎng)的污染；同時(shí)它改善了在輸出功率變化時(shí)的動(dòng)態(tài)性能。因此，它可以應(yīng)用在對(duì)動(dòng)態(tài)性能要求比較高和輸出功率范圍比較寬的場(chǎng)合。