PFC在反激照明驅(qū)動(dòng)中的工作原理

隨著照明技術(shù)的發(fā)展，LED走進(jìn)了人們的生活，由于其節(jié)能環(huán)保、使用壽命長，很快獲得了穩(wěn)固的市場地位。但是如果要點(diǎn)亮LED,就需要恒定電流以及高功率因數(shù)。所以在LED的設(shè)計(jì)中，需要集成PFC單級(jí)反激式轉(zhuǎn)換器。PFC為功率因數(shù)校正的縮寫，是有效功率除以總耗電量（視在功率）的比值，它反應(yīng)了電路當(dāng)中電力被有效利用的程度。但是對(duì)一些LED新手來說，PFC方面的知識(shí)卻是沒有接觸過的，本篇文章就介紹了反激式LED中的PFC原理，希望對(duì)各位有所幫助。

在反激拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)當(dāng)中，PSR（初級(jí)端調(diào)節(jié)）是一種最為快捷高效的電路設(shè)計(jì)，它通過使用具有初級(jí)端調(diào)節(jié)（PSR）的單級(jí)拓?fù)鋪韺?shí)現(xiàn)。在圖1中我們給出了高功率因數(shù)的單級(jí)PSR反激式LED驅(qū)動(dòng)的原理圖。

圖1:具有高功率因數(shù)的單級(jí)PSR反激式LED驅(qū)動(dòng)器

對(duì)于初級(jí)端調(diào)節(jié)，通常優(yōu)先使用非連續(xù)導(dǎo)通工作模式（DCM），因?yàn)樗芴峁O為精確的輸出調(diào)節(jié)。為了實(shí)現(xiàn)高功率因數(shù)和低總諧波失真（THD），通常會(huì)在開關(guān)頻率固定的DCM反激式轉(zhuǎn)換器中采用恒定導(dǎo)通時(shí)間控制。圖2所示為初級(jí)端開關(guān)電流、次級(jí)端二極管電流和MOSFET開關(guān)柵極信號(hào)的典型理論波形。

圖2:DCM反激式PFC轉(zhuǎn)換器的時(shí)序和輸入電流

在導(dǎo)通時(shí)間恒定的條件下，平均輸入電流如下式所示：

此處，D為轉(zhuǎn)換器的開關(guān)占空比，為反激變壓器的初級(jí)繞組電感。上式表明輸入電流波形始終跟隨輸入電壓。因此，轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)。

然后，可通過下式計(jì)算RMS輸入電流：

為了保持DCM工作模式，最大占空比D必須滿足：

為了確保反激式轉(zhuǎn)換器在DCM模式下以單位功率因數(shù)工作，并具備低THD性能，通常使用匝數(shù)比相對(duì)較小的變壓器。這類反激式變壓器會(huì)導(dǎo)致較小的開關(guān)占空比，使流過MOSFET開關(guān)和變壓器的峰值以及RMS電流變大，從而造成更多功耗損失。由于峰值開關(guān)電流較高，因此需要用到相對(duì)較大的EMI濾波器。

具有臨界導(dǎo)通工作模式（BCM）的反激式轉(zhuǎn)換器具有零電壓導(dǎo)通特性，可最大程度降低開關(guān)損耗，因此常用作單級(jí)PFC轉(zhuǎn)換器。與DCM工作模式不同，BCM反激式方法由恒定導(dǎo)通時(shí)間和可變開關(guān)頻率控制。這里PFC的BCM反激式方法適用于需要相對(duì)較高PF,但總體諧波失真（THD）并不低于10%的很多應(yīng)用。下面的圖3顯示了其初級(jí)端開關(guān)電流、次級(jí)端二極管電流和MOSFET柵極開關(guān)信號(hào)的理論波形。

圖3: BCM反激式PFC轉(zhuǎn)換器的時(shí)序和輸入電流

平均輸入電流表述如下：

上文輸入電流等式中的分母使得電流波形呈現(xiàn)出明顯的非正弦形態(tài)。下面的圖4顯示了BCM反激式拓?fù)涞妮斎腚娏鞑ㄐ?，其中RVR為參數(shù)。對(duì)輸入電流波形的諧波分析表明，若RVR為2,則很難獲得低于10%的THD。

圖4: 以RVR作為參數(shù)的BCM反激式拓?fù)漭斎腚娏鞑ㄐ?/EM>

在開關(guān)的關(guān)斷期間，開關(guān)上的最大電壓等于峰值輸入電壓加上反射電壓VR.因此，由于MOSFET開關(guān)的額定電壓限制，RVR的可能值范圍僅為1（美國標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓）和2~3（歐洲標(biāo)準(zhǔn)輸入電壓）。對(duì)于采用通用輸入電壓的照明應(yīng)用而言，為了達(dá)到相對(duì)較低的THD,必須使用800 V甚至1000 V MOSFET,以使RVR比率盡可能低。它的開關(guān)頻率也有可能變得非常高，尤其是在高輸入交流電壓的LED調(diào)光應(yīng)用中。

綜合分析之后，我們可得出以下結(jié)論：

1.用于MOSFET峰值漏極電流的輸入電壓無需作為參考。如果導(dǎo)通時(shí)間在半周期間是恒定的，則峰值漏極電流將會(huì)隨著輸入電壓的變化而變化。

2. 輸入電流波形不理想的主要原因是可變頻率，更確切地說是可變占空比。在漏極電流波形相同的情況下，如果占空比在半周期間保持恒定，則輸入電流將會(huì)是正弦曲線。

反激式電路是目前比較經(jīng)濟(jì)且高效的一種電路。它不需要電路進(jìn)行電解電容的輸入和反饋電路的設(shè)定，并且只需要較少的外部元件，降低了整體成本，所以才會(huì)成為目前照明電路設(shè)計(jì)的主流。